*목차*
1. CCP type AC Plasma의 전위(Electric Potential) 그리고 쉬스(Sheath)
2. CCP type AC Discharge에서 Self Bias 현상(자기 or 유도 바이어스, DC Bias)
3. Asymmetric CCP에서 Self Bias 현상
이전 포스팅에서 CCP type의 AC Discharge Plasma에 대해서 정리해봤는데요.
이번 포스팅에서는 CCP type AC Plasma의 전위(Electric Potential), 쉬스(Sheath), 자기 바이어스(Self Bias)에 대해서 공부해봤어요.
1. CCP type AC Plasma의 전위(Electric Potential) 그리고 쉬스(Sheath)
이전에 정리해본 DC Discharge Plasma의 경우 전극의 양극과 음극이 고정되어 있기 때문에 Plasma와 전극 사이에 전위 차이(Electric Potential Difference)가 일정하지만
AC Discharge Plasma의 경우 전극의 양극과 음극이 Power 주파수에 맞춰서
일정한 주기로 계속 바뀌기 때문에 Plasma와 전극 차이도 주기적으로 바뀌어요...
우선 CCP type AC Plasma의 회로 구성을 보면 아래와 같아요.
AC Plasma는 RF(Radio Frequency) 영역 대를 주로 사용하기 때문에
Power를 RF Generator로 표현했어요.
한 쪽 전극은 'RF Matcher'와 연결된 'Powered Electrode'
반대 쪽 전극은 'Ground' 역할을 하는 'Grounded Electrode'가 평행하게 있어요.
보통 고전력 Power를 사용하기 때문에 안전을 위해서 Chamber 벽면도 Ground 처리를 해요.
AC Plasma에서도 Plasma와 전극 사이에 쉬스(Sheath) 영역이 생기고 급격한 전위차이도 생겨요. Sheath가 발생하는 과정도 DC Plasma와 동일해요.
(양이온과 전자의 이동 속도 차이)
그런데 AC Plasma는 주파수의 맞춰서 전극에 걸리는 전위 값이 반복해서 바뀌기 때문에 Sheath Potential(쉬스 전위, 쉬스 전압)도 반복해서 바뀌어요....
Plasma가 생성된 상황에서
'Powered Electrode'에 걸리는 RF 신호의 Voltage 지점마다
Plasma와 Electrode 사이에 전위 차이(Potential Difference)가 어떻게 바뀌는지 봤어요.
(1) V = 0V
-. 전위가 양쪽 전극 모두 0V로 떨어져요.
(2) V = + Vmax (Most positive part of RF cycle)
-. Grounded Electrode에 커다란 음의 전계가 생기면서 급격한 전위차가 생겨요.
이때 양이온은 전위차에 의해 Grounded Electrode에 강하게 충돌해요.
(3) V = - Vmax (Most negative part of RF cycle)
-. Powered Electrode에 커다란 음의 전계가 생기면서 급격한 전위차가 생겨요.
이때 양이온은 전위차에 의해 Powered Electrode에 강하게 충돌해요.
RF Power의 주파수에 맞춰서 Sheath Potential이 양쪽 전극을 번갈아가면서
커지고 작아지길 반복해요. 그리고 양이온이 전위차 크기 변화에 따라 전극을 번갈아가면서 강하게 충돌해요.
공정에서 Plasma의 라디칼(Radical)에 의한 화학적인 반응만 활용하면 상관이 없지만
Sputtering이나 RIE(Reactive Ion Etching)과 같은 양이온의 충돌로 인한 물리적인 반응을 활용할 때는
위처럼 양쪽 전극을 번갈아가면서 충돌하면 원하는 효과를 얻을 수 없어요...
Sputtering 공정의 경우 Wafer 위에 증착과 식각이 반복 될지도??....
AC Plasma로 원하는 Target을 처리하는 방법으로
Self Bias(자기 바이어스, 유도 바이어스, DC Bias) 현상을 이용해요.
2. CCP type AC Discharge에서 Self Bias 현상(자기 or 유도 바이어스, DC Bias)
CCP type에서 AC Plasma를 방전시키면 양이온은 2개의 전극을 주파수에 맞춰서 번갈아가며 동일하게 충돌해요.
그런데 이러면 Plasma의 물리적인 반응을 제대로 활용하기 어려워요.....
만약 Sputtering 공정의 경우 Metal Layer가 Wafer 위에 증착 되었다가 스퍼터링 되었다가 반복하겠죠...
하지만 실제로는 그러지 않고 Powered Electrode(Target 방향)으로 충돌이 주로 일어나요.
그 이유는 AC Plasma의 Self Bias 또는 DC Bias(자기 바이어스, 유도 바이어스) 때문이에요.
AC Plasma에서 Self Bias가 만들어지는 과정을 정리해봤어요.
'Powered Electrode'에 Target을 놓은 상태에서 AC Plasma를 방전 시킨 상황을 보면 아래와 같은 이유로 전극의 전위가 달라져요.
(** Target은 Wafer가 될 수 있고, Sputtering을 위한 Metal Source가 될 수 있어요.)
-. Powered Electrode에 (-) 음의 전계가 걸렸을 때
양이온은 질량이 상대적을 커서 전극에 느리게 접근해서 충돌하는 수가 적은데
반대로 Powered Electrode에 (+) 양의 전계가 걸렸을 때
전자는 질량이 상대적으로 작아서 전극에 빠르게 접근하고 많은 수가 충돌해요.
전극에 (-)전계일 때 유입되는 양이온 수보다 (+)전계일 때 유입되는 전자의 수가 많아서 Target은 (-)음의 전위로 대전이 돼요.
-. 또 많은 수의 전자가 빠르게 접근 하다보니 미처 충돌하지 못하고 축적되는 전자가 발생해요.
-. 그리고 전자가 Powered Electrode에 연결되어 있는 RF power supply의
'Blocking Capacitor'에 축적이 되고 (-)음의 전위를 발생시켜요.
(** Blocking Capacitor : Electrode에 연결된 Power supply에 높은 직류 전류가 흐르지 않도록 하는 안전장치.)
-. RF Power Supply와 Electrode 사이에 있는 RF Matcher에도 Capacitor가 있기 때문에 전위에 영향을 줘요.
-. 만약 전극에 Capacitor 역할을 하는 유전체(Dielectric Material) 층이 있을 경우 유전체 층에 축적이 될 수 있어요. 또 Si Wafer만으로도 축적이 되기 때문에 음의 전위를 만들어요.
위와 같은 이유로 Powered Electrode의 전위가 (-)음의 방향으로 낮아지는데요.
원래 교류전원은 (+) (-) 전위가 균일하게 교차하면서 순전류 값이 0이 되어야 하는데
Powered Electrode에 많은 전자가 계속 유입되고 축적되면서 전극은 (-) 음의 방향으로 전위가 계속 낮아져요. 전극에서 (-) 방향으로 전위가 더 낮아지니 양이온도 더 많이 유입될 수 있어요.
전자가 많이 유입되서 (-) 전위로 낮아지고 양이온이 더 유입되는 과정을 반복하다가
전극에 유입되는 전자의 수와 양이온의 수가 같아지는 지점까지 전위가 낮아지게돼요.
결과적으로 'Powered Electrode'에 교류전원 신호가 들어옴에도 불구하고 (-) 음극 상태를 오래 유지하게 돼요.
(-) 음극 상태를 오래 유지하니 양이온을 전극 위 Target 방향 위주로 계속 가속시켜 충돌을 이르킬 수 있어요.
이런 식으로 교류 전원을 연결했음에도 불구하고 전극이 (-)전위로 더욱 낮아지면서 한쪽 전극 위주로 반응이 일어나는 현상을
'Self Bias(자기 바이어스 or 유도 바이어스)'라고 해요.
또는 커패시터에 의해 신호의 형태가 DC직류와 같은 성질을 띄기 때문에
'DC Self Bias' 또는 'DC Offset' 이라고도 표현해요.
그리고 Electrode에 걸리는 RF Power의 신호에서 Self Bias에 의해 낮아진 전위 값을 Vdc로 표시해요.
3. Asymmetric CCP에서 Self Bias 현상
CCP type AC Plasma에서 양이온의 충돌 효과를 더욱 높이기 위해서는
2개의 Electrode의 면적을 비대칭(Asymmetric)으로 만들면 돼요.
Target이 놓이는 전극. 즉, 양이온 충돌 반응이 필요한 쪽 Electrode 면적을 작게 만들면
Electron의 축적이 더욱 일어나면서 전위가 더 낮아지게 돼요.
Electron이 더욱 축적 되면서 Self Bias 현상이 더 강해지고
양이온의 가속도 더 커지게 돼요.
비대칭(Asymmetric) 구조에서 Self Bias 현상이 더욱 일어나는 이유는
가속된 많은 수의 전자가 전극에 충돌하는데 미처 충돌하지 못한 전자가 발생하고 전극 주변에 축적이 돼요.
그런데 Electrode의 면적이 넓을 경우 전자가 골고루 퍼지면서 전극에 충돌해서 손실되지만
Electrode의 면적이 좁을 경우 충돌하지 못하고 축적되는 전자가 많아져요.
축적되는 전자의 수가 많아지니 전위가 더 떨어지고 Self Bias 현상도 커지게 돼요.
보통 설비를 보면 Grounded Electrode는 Chamber 벽면까지 되어 있어서
Powered Electrode와 면적 차이가 있어요.
** 혹시 오류가 있으면 댓글로 수정 부탁드립니다.
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