*목차*
1. ICP(Inductively Coupled Plasma) 원리
2. ICP type 장단점 (CCP type 비교)
1. ICP(Inductively Coupled Plasma) 원리
-. 이번 포스팅은 ICP(Inductively Coupled Plasma)에 대해서 정리해 봤어요.
ICP는 반도체 공정에서 자주 사용이 돼요.
한국어로 번역하면 " 유도 결합 플라즈마 "라고 해요.
그럼 먼저 ICP, 유도 결합 플라즈마의 원리에 대해서 알아볼게요.
이전 포스팅에서 Plasma에 대해서 몇 번 정리해봤는데요.
Plasma를 생성하기 위해서는 Chamber 안에 회로를 만들고 고전력(High Power)를 인가해서 전기장(Electric Field)를 만들어요.
그러면 전기장(E-Field) 흐름을 따라서 Chamber 안 공간의 전자(Electron) 입자가 가속을 하면서 많은 에너지를 갖게 돼요.(운동에너지)
가속이 된 Electron은 Gas 입자와 충돌을 하면서 Plasma가 만들어지게 돼요.
여기서 Electron을 가속하는 방식에 따라 종류가 달라지는데요.
ICP(Inductively Coupled Plasma)는 Plasma를 만드는 방법 중 한 가지에요.
1.1) Maxwell 방정식
-. ICP에 대해서 알려면 우선 " Maxwell 방정식 "에 대해서 알 필요가 있을 것 같아요.
Maxwell 방정식에 의하면, 만약 도선에 전류(Current)가 흐르면 도선의 수직한 방향으로 주위에 자기장(Magnetic Field)이 형성이 돼요.
그리고 만약 자기장의 세기(크기)가 시간에 따라 변하면 자기장에 수직한 방향으로 전기장(Electric Field)이 유도가 돼요.
한 가지 예로 나선형으로 꼬인 도선 가운데로 자석을 움직이면 도선을 따라 전류가 발생해요.
1.2) Maxwell 법칙과 ICP Plasma 발생
-. ICP 방식은 위에 설명한 Maxwell 법칙의 현상으로 Plasma를 발생시켜요.
ICP 장치의 형태를 보면 도선이 나선형의 코일(Coil)로 되어있고 RF Power(Radio Frequency Power)를 연결해요. (RF Coil)
Coil에 Power를 인가하면 위에서 설명한 Maxwell 법칙처럼 Coil에 전류가 흐르면서 도선의 수직 방향으로 자기장(Magnetic Field)이 유도가 돼요.
여기서 전류의 방향이 계속 바뀌는 교류 전원인 RF Power를 연결했기 때문에 유도되는 자기장(Magnetic Field) 역시 시간에 따라 세기(크기)가 변해요.
Maxwell 법칙처럼 자기장의 세기가 시간에 따라 변하기 때문에 자기장에 수직한 방향으로 전기장(Electric Field)가 유도가 돼요. 이때 유도되는 전기장은 Coil을 감는 방향과 같이 형성이 돼요.
Coil에 RF Power를 연결하여 유도된 전기장(Electric Field)에 의해서 Chamber 안 공간에 전자(Electron) 입자가 가속을 해요. 이 때 전기장은 Coil의 감는 방향과 같이 흐르기 때문에 Electron은 동심원을 그리면서 회전 운동을 해요.
Electron이 전기장을 따라 동심원을 그리며 가속을 하면서 운동에너지를 갖게 돼요. Electron이 많은 에너지를 갖는 상태에서 Gas 입자와 충돌을 하면 Plasma가 생성이 돼요.
(**Plasma 생성에 대한 내용은 이전 글에서 정리해봤어요. 참고해주세요.)
CCP Plasma와 전자의 운동 방향만 다르다고 과정은 동일하네요.
2. ICP type 장단점 (CCP type 비교)
-. 그러면 CCP type을 잘 쓰다가 왜 ICP Plasma를 쓰게 되었는지, 장단점이 무엇인지 알아봤어요.
(** 이전 포스팅에서 CCP Plasma에 대해서 정리했으니 참고하세요~)
장점 1) Plasma Density와 Ion Energy를 독립적으로 제어 가능.
-. 우선 Plasma 공정에서 Etch Rate(식각률)를 높이기 위해서는 Plasma Density(플라즈마 이온)가 높아져야 돼요. 즉, Etch를 하는 Ion 입자와 Radical 입자의 밀도가 높아져야 돼요.
High Plasma Density를 얻기 위해서는 Power를 높이면 되는데 그러면 Ion Energy(이온 에너지)도 같이 증가해요.
그런데 높아진 Ion Energy는 CCP type에서 문제가 돼요.
CCP type에서는 전기장(Electric Field)가 2개 전극 사이에서 수직 방향으로 흐르기 때문에Plasma가 생성되면 Ion 입자는 Wafer에 충돌해요.
여기서 Etch Rate를 높이기 위해서 Power를 높여 Plasma Density를 높이면 충돌하는 Ion 입자의 Energy도 같이 높아지면서 Wafer에 Damage(손상)을 줄 수 있어요.
CCP type에서는 Ion Energy를 독립적으로 제어할 수 없기 때문에 Plasma 밀도를 높이는데 한계가 있어요.
-. ICP type에서는 코일(Coil)이 감긴 방향으로 유도 전기장을 형성해서 Plasma를 만들어내요.
때문에 Power를 높여서 High Plasma Density를 얻어도 High Ion Energy는 Wafer에 영향을 주지 않아요.
그리고 전자가 빙글빙글 돌면서 가속하기 때문에, Chamber 벽면과 충돌하면서 손실되는 전자가 적어요. 전자가 벽과 충돌하지 않고 계속 중성 기체 입자와 충돌하여 Plasma를 생성하기 때문에 High Plasma Density를 얻는데 유리해요.
그러면 ICP에서 Ion Energy는 어떻게 제어 할까요?
CCP에서는 하나의 Power로 Plasma를 생성하지만,
ICP는 상부 Coil에 RF Power(Source RF Power)로 Plasma를 생성하면서, RF Power Bias를 연결한 하부 전극이 추가로 있어요. 하부 전극에는 Wafer가 올라가는데요.
하부 전극에 RF Power Bias를 인가하면 Ion 입자는 Wafer의 수직 방향으로 가속하고 충돌해요.
흔히, Radical의 화학적 반응과 Ion의 물리적 반응을 이용하는 RIE(Reactive Ion Etching) 방식으로 불러요.
ICP는 상부 Source Power로 Plasma Density를 제어하고, 하부 RF Bias Power로 Ion Energy를 독립적으로 제어할 수 있어요.
Plasma 밀도를 높이면서 Ion Energy를 낮출 수 있고, 반대로 높일 수 있어요.
장점 2) Low Pressure에서 높은 밀도의 Plasma 생성 가능.
-. 우선, MFP(Mean Free Path, 평균 자유 거리)에 대해 알 필요가 있는데요.
MFP는 "어떤 입자가 연속적으로 충돌하면서 이동하는 평균 거리"를 뜻해요.
다르게 말하면 "어느 입자가 다른 입자와 충돌하기 전까지 이동한 거리"로 볼 수 있어요.
MFP가 길다는 거는 입자가 적게 충돌한다는 거고, MFP가 짧다는 거는 입자가 많이 충돌한다는 거죠.
Etch 공정에서 입구가 좁고 깊은 미세 패턴을 Etching해야 하는 경우가 있는데요. 그러기 위해서는 이온 입자가 다른 입자와 충돌하지 않고 Pattern 바닥까지 도달해야 돼요. 즉, 이온 입자의 직진성이 좋아야 해요.
이온의 직진성을 높이기 위해서는 MFP가 길어야 되는데요. Low Pressure에서 Plasma를 생성하면 MFP가 길어지고 직진성이 좋아져요. Anisotropic etch(비등방성 식각)을 하고 Vertical Profile 얻는데 유리해요.
그런데 전자가 직선 운동을 하는 CCP type에서 Pressure을 너무 낮추면 MFP는 길어지지만 전자와 충돌하는 중성 기체 입자 수가 적어서 Plasma를 형성하지 못하는 한계가 있어요...
하지만 ICP type에서는 전자가 회전 운동하기 때문에 Low Pressure에서도 High density plasma를 생성할 수 있어요.
단점 1) 설비 Life time의 감소와 Particle
-. Low Pressure에서 High density plasma 생성이 가능하고, Density와 Ion Energy를 독립 제어가 가능한 ICP도 단점이 있는데요.
ICP는 Coil 부분에서 Plasma가 형성이 되기 때문에, Coil이 감겨있는 Ceramic(세라믹) 부분에 Plasma 바로 맞닿게 되면서 설비의 Life time이 감소한다고 해요. 그러면 자주 설비를 멈추고 Maintenance 및 Parts 교체를 해야되니 생산성이 떨어질 수 있어요.
또 Ceramic이 식각이 되면서 Particle이 될 수도 있어요.
단점 2) 까다로운 Uniformity
-. CCP type은 Wafer가 올라간 전극 전체에 Power가 고르게 걸리기 때문에 균일하게 Plasma가 형성이 돼요.
그런데 ICP type은 Coil이 지나가지 않는 영역이 있기 때문에 모든 영역에 균일하게 Plasma를 형성되지 않는다고 하네요.
모든 영역에 균일한 유도 전기장을 형성하기 어렵기 때문에 Uniformity 측면에서 상대적으로 까다롭다고 하네요.
(* 공부하면서 정리했는데 오류가 있으면 알려주세요.)
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