반도체 제조용 실란 PCVD 반응기에서의 입자 오염

김 동 주, 김 교 선

강원대학교 공과대학 화학공학과

The Particle Contamination in Silane PCVD Reactor for Semiconductor Fabrication

Dong-Joo Kim, Kyo-Seon Kim

Department of Chemical Engineering, Kangwon National University

Chuncheon, Kangwon-Do, Korea

서론

태양전지, LCD (Liquid Crystal Display) 및 TFT (Thin Film Transistor) 제작 등에 이용되고 있는 실란 플라즈마 반응기 내에서는 submicron에서 micron 크기를 가지는 입자들이 생성되어 플라즈마 반응기를 오염시키고 있다.  플라즈마 반응기 내에서 생성된 입자들은 반도체 소자 및 반응기 효율성 등을 저하시키는 것으로 알려져 있다.  대부분의 입자들은 플라즈마 반응기 내에서 음으로 대전되어 있으며 반응기 내에 작용하는 여러 힘들간의 균형에 의해 주로 plasma/sheath boundary에 머무르는 것으로 알려져 있다[1-8].  반도체 산업에서 입자 오염 문제에 대한 중요성 때문에 많은 연구가 수행되어져 왔으며 플라즈마 반응기 내에서 반응기 전달 현상 등을 고려한 체계적인 입자 오염 연구가 요구되고 있다.

본 연구에서는 실란 PCVD 반응기 내에서 입자 거동과 성장을 모델식을 사용하여 이론적으로 고찰하였다.  반응기 내에서 공정 변수가 입자 거동이 미치는 영향을 분석하기 위해 전체 기체 유량 및 전기장의 세기 등을 변화시켰다.  벌크 플라즈마 영역에서 입자 성장을 위한 모델식에는 응집에 의한 입자 성장의 영향을 고려하였으며 초기입자 크기 변화에 따른 입자 성장의 영향을 분석하였다.

이론

실란 플라즈마 반응기 내에서의 입자 거동을 고찰하기 위해 일반적으로 전달 현상을 근거로 하고 비교적 계산 시간이 적게 드는 fluid approach 방법을 사용하였다.  반응기 내 유체의 흐름은 일정하다는 가정 하에 입자 거동에 대한 모델식을 식 (1)과 같이 표현하였으며 입자 거동에 영향을 미치는 힘들로 유체 대류, 입자 확산, 외부힘 (ion drag force, electrostatic force, gravitational force) 등을 고려하였다[1].

[eqn: LEFT ( { PARTIAL n_p} over { PARTIAL t } RIGHT ) ~=~ - DEL LEFT ( un_p - D_p DEL n_p - u_p.ext n_p )]                                (1)

식 (1)에서 외부힘 ([eqn: u_p.ext])은 ion drag force (I.D.F.)와 electrostatic force (E.F.) 및 gravitational force (G.F.) 등의 합으로 표현된다[1,2].  플라즈마 반응기 내에서 화학종들이 ion drag force에 미치는 영향을 계산하기 위해 실란 PCVD에서 존재하는 50 여 개 이상의 화학종들과 200 여 개 이상의 화학반응들 중 ion drag force에 주로 영향을 미치는 18개의 화학종들과 23개의 화학반응식들만을 고려하였다[1-3].

플라즈마 반응기 내에서 생성된 submicron 크기의 거대입자들은 1-10 nm 크기의 초기입자들로 구성되어 있고 단분산인 입도 분포를 가지는 것으로 알려져 있으며[4-6] 입자 충돌에 관여하는 초기입자들과 거대입자들의 전하분포는 벌크 플라즈마 영역에서 Gaussian 형태로 표현된다[7].  벌크 플라즈마 영역에서 입자 충돌에 의한 입자 성장을 분석하기 위해 거대입자들은 초기입자들과의 응집으로 성장하는 것을 가정하였으며 입자 전하분포는 Gaussian 분포를 사용하였고 입자 충돌 과정 중 같은 전하를 가진 입자들간의 충돌은 무시하였다.  벌크 플라즈마 영역에서 Lemons et al[8]이 제안한 입자 성장식을 수정하여 거대입자들을 위한 입자 성장식으로 사용하였다.

[eqn: { d(d_p )} over {dt } = LEFT ( { 2} over { pi d_p ^2 rho _d} RIGHT ) LEFT [ f_{1,n e u}f_{2,n e u} + f_{1,n e u}f_{2,n e g}+f_{1,n e u}f_{2,pos}+f_{1,n e g}f_{2,n e u}]

[eqn: +f_{1,n e g}f_{2,pos}(1- GAMMA)+f_{1,pos}f_{2,n e u} f_{1,pos}f_{2,n e g}(1-GAMMA) RIGHT ] beta rho(t)]           (2)

식 (2)에서 [eqn: rho]는 초기입자들의 무게 밀도를 나타내며 [eqn: GAMMA]는 반대전하를 가지는 입자들이 충돌할 경우 두 입자간에 작용하는 coulomb force에 의한  입자 충돌의 enhancement factor를 나타낸다.

결과 및 고찰

실란 플라즈마 반응기 내에서 입자 거동을 고찰하기 위해 전체 기체 유량을 25 cm3/min, 반응기 내 압력을 0.1 Torr, 두 전극에서 전기장의 세기(Epos, Eneg)을 ±100 V/cm로 기준 조건으로 하였다.  공정 변수 변화에 따른 실란 플라즈마 반응기 내에서 입자 거동을 고찰하기 위해 전체 기체 유량, 전기장의 세기 등을 변화시켰다.

Fig.1. The concentration profiles of uniform sized particles (dp = 0.1 □) in plasma reactor for various total gas flow rates (Emax & -Emin = 100 V/cm, P = 0.1 Torr, t = 0.01 sec).

Fig.2. The concentration profiles of uniform sized particles (dp = 0.1 □) in plasma reactor for various electric field strengths (Q = 25 sccm, P = 0.1 Torr, t = 0.01 sec).

Fig.1은 1×10-2 sec.에서 전체 기체 유량 변화에 따른 입자들의 농도 분포를 두 전극간의 거리에 따라 나타낸 것이다.  반응기 중앙에서 두 전극방향으로 작용하는 ion drag force와 두 전극에서 반응기 중앙 쪽으로 작용하는 electrostatic force에 의해 반응기 중앙과 두 sheath 영역에서의 입자들의 농도는 0이 접근하고 있는 것을 보여주고 있으며 대부분의 입자들이 전기적 반발력과 ion drag force가 균형을 이루고 있는 두 sheath boundary 영역에 존재하고 있는 것을 보여주고 있다.  유량이 증가함에 따라 유체가 흐르는 방향으로 입자들이 더 많이 밀리게 되어 상류 sheath boundary에서의 입자 농도는 감소하고 있고 하류 sheath boundary에서의 입자 농도는 증가하고 있는 것을 보여주고 있다.  Fig.2는 1×10-2 sec.에서 전기장의 세기를 변화시켰을 때 입자들의 농도 분포를 두 전극간의 거리에 따라 나타낸 것이다.  대부분의 입자들이 두 sheath boundary에 분포하고 있고 반응기 중앙과 두 sheath 영역에서 입자들의 농도는 0에 접근하고 있는 것을 보여 주고 있다.  유체 대류의 영향으로 하류 sheath boundary에서 입자 농도가 상류 sheath boundary에서 입자 농도보다 높게 나타나고 있다.  전기장의 세기가 증가함에 따라 두 전극에서의 전기적 반발력은 증가하게 되어 두 sheath 영역에 있는 입자들이 반응기 중앙 쪽으로 더 많이 밀리게 되므로 두 sheath boundary에서 입자 농도가 증가하고 있는 것을 보여주고 있다.

벌크 플라즈마 영역에서 입자 성장을 분석하기 위한 플라즈마 조건으로 양이온 농도는 2.0×1010 cm-3, 음이온 농도는 1.5×1010cm-3, [eqn: T_e]는 2 eV, [eqn: T_i]는 500 K로 하였으며 초기입자 생성 속도가 2.2×10-10 g/cm3·sec.,  거대입자 농도가 6.0×105 cm-3, 초기입자 크기가 2 nm일 때를 기준 조건으로 하여 초기입자 크기 변화가 입자 성장에 미치는 영향을 고찰하였다.

Fig.3. The changes of predator particle diameters for various protoparticle diameters as a function of time (np = 6×105 cm-3, □' = 2.2×10-10 g/cm3sec).

Fig.4. The charge distributions of predator particles in plasma reactor for various protoparticle diameters (np = 6×105 cm-3, □' = 2.2×10-10 g/cm3sec).

Fig.3은 시간 변화에 따른 거대입자 크기 변화를 초기입자 크기를 변화시켜 가며 나타낸 것이다.  시간이 지남에 따라 초기입자들과의 응집으로 거대입자들이 성장하고 있는 것을 보여주고 있다.  입자 성장 초기에는 높은 초기입자 농도로 거대입자들의 응집속도는 증가하게 되어 거대입자들이 빠르게 성장하고 있는 것을 보이고 있으며 초기입자 농도가 최대값에 도달한 후부터는 입자 응집으로 인한 초기입자 소멸 속도의 증가로 초기입자들의 농도는 감소하게 되어 거대입자들의 성장이 시간이 지남에 따라 둔화되고 있는 것을 보여주고 있다.  초기입자 크기가 감소함에 따라 벌크 플라즈마 영역에서 초기입자들의 농도는 증가하게 되고 입자들간의 응집 속도는 증가하게 되므로 거대입자들이 빠르게 성장하고 있는 것을 보여 주고 있다.  Fig.4는 초기입자 크기 변화에 따른 플라즈마 벌크 영역에서의 거대입자들의 전하분포를 시간에 따라 나타낸 것이다.  시간이 지남에 따라 거대입자들의 크기는 증가하게 되므로 전자들이 충돌하는 거대입자들의 표면적은 증가하게 되어 거대입자들이 가지는 음전하수는 증가하고 있는 것을 보여 주고 있다.  20 sec.이후부터 대부분의 거대입자들이 음으로 대전되는 있는 것을 보여주고 있다.  초기입자 크기가 감소함에 따라 초기입자 농도는 증가하게 되고 electroneutrality 조건을 만족하기 위한 전자 농도는 감소하게 되므로 전자들과의 충돌로 거대입자들이 가지는 음전하수가 감소하고 있는 것을 보여 주고 있다.

결론

본 연구에서는 실란 플라즈마 반응기 내에서 여러 공정 변수들이 입자 거동과 성장에 미치는 영향을 모델식을 사용하여 고찰하였다.  대부분의 입자들은 두 sheath boundary에 분포하였고 두 sheath 영역과 반응기 중앙에서의 입자 농도는 0에 접근하였다.  유량이 증가함에 따라 유체가 흐르는 방향으로 입자들이 더 많이 밀려가게 되므로 상류 sheath boundary에서는 입자 농도가 감소하였고 하류 sheath boundary에서는 입자 농도가 증가하였다.  전기장의 세기가 증가함에 따라 두 전극에서 전기적 반발력의 증가로 두 sheath 영역에 있는 입자들이 반응기 중앙 쪽으로 더 많이 밀리게 되므로 두 sheath boundary에서 입자 농도가 증가하였다.

벌크 플라즈마 영역에서 입자 성장을 위한 모델식을 사용하여 거대입자 성장에 따른 평균 전하 변화와 전하 분포를 계산하였다.  시간이 지남에 따라 거대입자 크기는 증가하였으며 거대입자 표면적의 증가와 더불어 거대입자가 가지는 음전하수도 증가하였다.  초기입자 크기가 감소함에 따라 초기입자 농도는 증가하게 되어 거대입자 크기는 빠르게 증가하였다.  초기입자 크기가 감소함에 따라 초기입자들의 농도는 증가하게 되고 electroneutrality 조건을 만족하기 위한 전자 농도는 감소하게 되므로 전자들과의 충돌로 거대입자들이 가지는 음전하수가 감소하였다.

참 고 문 헌

1. Kim D. J. and Kim K. S. : Aerosol Sci. & Technol., submitted (1998).

2. Kim K. S. and Ikegawa M. : Plasma Sources Sci. Technol., 5 311 (1996).

3. Kim D. J. and Kim K. S. : Japn. J. Appl. Phys., 36, 4989 (1997).

4. Shiratani M., Kawasaki H., Fukuzawa T., and Watanabe Y. : Surfaces Review and

letters, 3(1) 75 (1996).

5. Fukuzawa T., Obata K., Kawasaki H., Shiratani M., and Watanabe Y. : J. Appl. Phys.,

80(6) 1 (1996).

6. Howling A. A., Sansonnens L.,Dorier J.-L., and Hollenstein Ch. : J. Appl. Phys., 75

1340 (1994).

7. Matsoukas T., Russell M., Smith M. : J. Vac. Sci. Technol., A14(2) 624 (1996).

8. Lemons D. S., Keinigs R. K., Winske D., and Jones M.E. : Appl. Phys. Lett.,

68(50) 613 (1996).