[반도체 공정] 식각공정(Etching)-2
4. Plasma
: 제4 상태의 전기적 성질 가지는 준중성 상태 기체
전자, 이온, 중성 원자, Radical 집합체
- (+), (-) 하전 입자 합=0 -> 전기적 중성
- 집단행동(collective behavior)
- 외부 간섭에 의해 고립 특성(sheath)
1) Plasma 생성
- DPP(Discharge Produced Plasma): 특정 물질 환경속 전극 간 대전류 펄스를 흘려 발생
LPP(Laser Produced Plasma): 특정물질에 강한 레이저 광을 집광해 발생
- 전자: Plasma 발생에 가장 중요 인자
- Electron Temp [eV] : 두 전극 양단에 1V를 가했을 때 전자가 가속, Anode 끝단에서 전자의 최대 에너지 분포 평균치
- 평형 상태: 발생되는 이온의 개수= 사라지는 이온의 개수
- Coliison Cross section(σ): 특정 충돌을 일으키기 위한 원자의 유효 단면적
충돌 정도의 척도
원자 속도와 비례, 어느 정도 속도 이상 시 감소(충돌 전에 Pass 해버림)
- Mean free path= 1/nσ * n=원자 수
- 충돌로 인해 원자가 최소 이온화 에너지 얻어야 Plasma 형성 가능
-충돌 반응
: 탄성충돌(Elastic collision): 두 물체가 부딪힐 때 충돌 전후에 두 물체가 충돌하는 계의 운동 에너지 총량이 일정한 충돌
비탄성 충돌(Inelastic collision)
- Ionization: e- + Ar -> Ar+ + 2e-
Plasma 형성 위한 가장 기본적 충돌 반응
- Recombination: Ar+ + e- -> Ar + hv
빛 발생, 이온화 에너지 따라 색이 다름
- Excitation: e- + Ar -> Ar*(Metastable) + e-
Metastable 상태에서 쉽게 Ionization 됨
- Relaxation: Ar* -> Ar + hv
- Dissociation: e- -> O2 -> 2O* + e-
Radical(반응성 큼)
- Electron attachment: e-+ SF6 -> SF6-
2) Sheath 형성
: 전자 질량 << 이온 질량
전자 mobility >> 이온 mobility
-> 입자 diffusion시 전자가 물체에 먼저 입사해 전위차 형성
- 전위차로 인해 전자는 입사되지 않고 양이온만 수직 입사
-> Vertical profile을 가능하게 함
- Sheath 경계: 이온 밀도 >> 전자 밀도로 몸체 전위보다 전자 온도의 1/2 크기만큼 전위가 낮아지는 지점
이온이 Bohm 속도를 갖게 되는 지점
-디바이 차폐(Debye Shielding)
: 플라즈마에 다른 전기장이 가해질 시 자체적으로 하전입자를 재배치함으로써 전기장을 없애려는 현상
플라즈마의 특징 중 하나
- 디바이 차폐 길이(Debye Shielding Length)
: 플라즈마 내 들어간 이온 주위의 전위가 e folding(1/exp로 감소)되는 거리
플라스마 내 양이온이 들어가면 전기적 중성이 꺠짐-> 전기장 상쇄 위해 이온 주변으로 전자가 이동
-> 이온에 의해서 형성되는 정전위의 크기는 이온으로 부터 거리에 반비례해 감소
전자 온도에 비례, 전자밀도에 반비례
- 정상 상태에서 Sheath의 크기
: 디바이 차폐 길이에 비례, 밀도에 반비례, 온도에 비례, 벽 전위에 3/4승 비례
3) RF 필요 이유
- DC: Cathode가 절연체인 경우 표면에 (+) 축적 -> 방전 -> plasma 유지 불가
따라서 전극이 도체여야 함, 도체여도 native ox의 문제 존재
- RF: Negative cycled 때 전하 축적, Positive 때 제거
단- DC에 비해 약한 방향성
개선- Blocking capacitor(Self bias 원리)
: 음전하-> 전위차 증가-> 양이온 가속화
-> 방향성↑
5. Plasma Diagnostics Tools
1) Mass spectrometer: 플라즈마 내에 존재하는 이온 및 Radical 검출
2) Optical Emission Spectrometer (OES)
: 여기 상태의 물질이 기저 상태로 전이되면서 내는 빛 세기와 파장 검출을 통해
플라즈마 내에 존재하는 활성화물을 검출
주로 밀도의 상대 변화량 측정시 이용
3) Langmuir Probe
: 탐침에 가하는 전압을 변화, 탐침으로 흘러들어오는 전류를 측정해
플라즈마 내에 존재하는 전자의 밀도 및 에너지분포 측정