Langmuir Probe를 이용한 고밀도 플라즈마 식각 장비 진단

박진수,1 임연호,1 최창선,2 한윤봉1,*

전북대학교 화학공학부, 반도체과학기술학과

Diagnostics of High Density Plasma Etcher by Langmuir Probe

Jin Soo Park, Yeon Ho Lim, Chang Sun Choi, and Yoon-Bong Hahn*

School of Chemical Engineering and Technology, Semiconductor Physics Research Center Chonbuk National University

서론

공정용 플라즈마는 다양한 변수(전자온도, 압력, 플라즈마 밀도, source power, 기판 온도, 등.)들이 물리적, 화학적 process들에 영향을 미치게 된다.  이 때문에 플라즈마를 이해하고, 실제 공정에서 발생하는 여러 현상들을 조절하기 위해서는 이와 같은 변수들의 믿을만한 값들이 필요하게 된다. 흔히 사용되는 플라즈마 진단방법으로 mass spectroscopy, electric probe,  optical methods 등이 있으며 이 중 cold plasma의 변수를 측정하는 적절한 방법은 금속 탐침(Langmuir probe)을 플라즈마 내에 삽입하여 탐침으로부터 흘러나오는 전류로부터 내부 변수를 측정할 수 있는 Langmuir probe를 이용하는 방법이다. 이 방법은 1920년대 미국의  Langmuir와 Smith에 의해 창안되었으며, 오늘날까지 플라즈마 측정에 많이 사용되고 있다. Langmuir probe를 사용하여 측정할 수 있는 플라즈마 변수로는 플라즈마 밀도, 전자 온도, 플라즈마 전위, 및 부유전위가 있다.

실험

본 연구에서 사용된 플라즈마 장비는 ICP(inductively coupled plasma)로서 13.56 MHz rf generator를 사용하였다. 또한 진단장비인 Langmuir probe의 개요도는 Fig. 1과 같다. Probe는 직경 0.127 mm, 길이 5 mm인 platinum을 사용하였는데 tungsten tip에 비해 녹는점은 낮으나 Cl2와 같은 반응성 gas의 진단에 적합하기 때문이다. Probe tip은 substrate 중심에서 상부 2 cm지점에 위치시켰다. 또한 probe에는 -40 ~ 40V의 100kHz 톱니파(saw tooth wave)를 인가하였으며, 13.56 MHz의 고주파 잡음을 제거하기 위해 한 개의 choke filter를 tip근처에 설치하였다.

Figure. 2는 probe에 인가된 전압과 probe에서 흘러나온 전류를 나타낸 것이다. 이와같은 장비를 이용하여 single Langmuir probe의 I-V특성 곡선을 나타낸 것이 Fig. 3이다. Fig. 3으로부터 플라즈마 전위(Vp), 플라즈마 밀도(ne), 부유전위(Vf) 및 전자온도(Te)를 결정할수 있다. 플라즈마밀도를 구하는 일반적인 공식은 다음과 같다.

[eqn: I_p = 1 over 4 A n_e Sqrt{8kT_e over {pi m_e}}]

A : probe 단면적, k: Boltzman 상수, Te: 전자온도, me: 전자질량

플라즈마 전위는 I-V 특성곡선에서 구할 수 있다.  일반적으로 두가지 방법이

* Author for correspondence. Email: ybhahn@moak.chonbuk.ac.kr.

사용되는데, 첫 번째는 인가전압에 대한 전류의 이차미분값이 0이 되는 지점에서의 플라즈마 전위를 구하는 방법과, 두 번째 ln(I-Isat) vs V의 그래프에서 두 개의 선형구간의 교차첨으로 결정하는 방법이 있다. 본 연구에서는 두 번째 방법을 이용하여 플라즈마 전위와 전자 포화전류값을 결정하였다.

본 연구에서는 Cl2/Ar의 혼합가스의 조성비에 따른 플라즈마 밀도, 및 전자온도, 플라즈마 전위를 압력을 변경하면서 구하였다. ICP source power는 300 W에서 800 W까지 변경하였고, chuck bias는 0V로 고정하였다. 총 유속을 20 sccm으로 유지하면서 조성비는 Cl2 100 %, 50 %, 25 %, 0 %로 변경하여 실험하였다.

결과 및 토의

Figure. 4는 100 % Ar, 20 sccm, 5 mTorr일 때의 플라즈마 밀도를 압력과 source power에 대해 도시한 그림이다. 압력과 source power가 증가함에 따라 플라즈마 밀도가 증가함을 알 수 있다. Figure 5는 같은 조건에서의 플라즈마의 전자 온도를 도시한 그림이다. 압력이 증가함에 따라 Te는 감소함을 알 수 있다. 이는 압력이 증가함에 따라 입자수가 많아져 전자와 충돌하는 입자의 수가 많아지게 되고 이로 인해 전자가 가진 에너지를 잃기 때문이다. 또한 source power가 증가함에 따라 Te는 감소함을 볼 수 있는데, 이는 파워가 증가함에 따라 전자의 양이 많아지고 그로인해 전자 하나하나에 분배되는 에너지가 작아지기 때문으로 생각되고 있다.

Figure 6은 100 % Cl2, 20 sccm, 5 mTorr 플라즈마에서의 압력과 source power에 따른 밀도에 대해 도시한 그림이다. Power가 증가함에 따라 플라즈마 밀도가 증가함을 알수 있고 압력이 증가함에 따라 밀도가 감소함을 알수 있다. 압력이 증가함에 따라 밀도가 감소하는 이유는 Cl2은 Ar과 달리 단원자 분자가 아니기 때문에 압력이 증가하면서 source power가 Cl2결합을 끊는데 소모되기 때문이다. Figure 7은 같은 조건에서의 압력과 source power에 따른 전자온도를 도시한 그림이다. Ar 플라즈마와 같이 파워가 증가함에 따라 전자 온도가 감소하는 경향을 보이고 있다. 그러나 압력이 증가함에 따라 전자온도는 전체적으로 증가하는 모습을 보이고 있다.

Figure 8은 Cl2와 Ar의  혼합가스로 조성비 5 sccm Cl2/15 sccm Ar 일때의 source power와 압력에 따른 밀도를 도시한 그림이다. 혼합gas 일 경우 플라즈마 밀도는 5 mTorr에서 30 mTorr 에 걸쳐 거의 비슷한 값을 가짐을 알수 있고, source power가 증가함에 따라 밀도가 증가하는 것을 볼 수 있다. 그렇지만 Ar 플라즈마에 비해 밀도가 상당히 낮음을 볼 수 있다. Figure 9는 같은 조건에서의 전자온도를 도시한 그림이다. 대체적인 경향은 Ar 플라즈마와 유사하지만 그 수치에 있어서 Ar플라즈마에 비해 상당히 낮음을 알 수 있다.

결론

본 연구에서는 Cl2와 Ar을 이용하여 고밀도 플라즈마 식각시 주요 변수인 가스조성, 압력, 및 source power에 따른 플라즈마의 밀도의 변화와 전자 온도에 대해 측정해 보았다. 플라즈마 밀도는 Ar만을 사용했을시 source power와 압력에 대해 증가하는 경향을 보였고 Cl2일 경우 압력에 대해서는 감소하지만 source power에는 증가하는 경향을 보였다.

참고문헌

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4) D. M. Manos and H. F. Dylla, Diagnostics of Plasmas for Materials Processing in Plasma Etching: An Introduction,  princeton University 1989, p259-337.

Fig. 1. Langmuir probe system

Fig. 2. Input sawtooth wave and

Output current

Fig. 3. I-V characteritics of a single Langmuir probe

Fig. 4. Plasma density of Ar

discharge (5 mTorr, 20 sccm)

Fig. 5. Electron temperature of Ar

discharge (5 mTorr, 20 sccm)

Fig. 6. Plasma density of Cl2

discharge (5 mTorr, 20 sccm)

Fig. 7. Electron temperature of Cl2

discharge (5 mTorr, 20 sccm)

Fig 8. Plasma density of mixed gas

discharge (5 mTorr, 15 sccmAr/5 sccmCl2)

Fig 9). Electron temperature of mixed gas discharge (5 mTorr, 15 sccmAr/5 sccmCl2)