Electron Cyclotron Resonance(ECR) plasma system was developed which can be used for deposition and etching without substrate heating and plasma damages. In this system, half of a rotary joint is used to couple rectangular waveguide to the circular waveguide, allowing us an easy mode selection between $TE_{11}$ and $TM_{01}$. So microwave can propagate in $TE_{11}$ or $TM_{01}$ mode selectively using waveguide coupler as proved by model experiment. And the linearity of magnetic field is also shown.
We explained the mechanisms of ECR plasma reactors such as microwave propagation in the plasma, power absorption and losses, and plasma in the divergent magnetic field. We suggest a new way to characterize the turning point magnetic field from the simple measurement of the plasma density in the plasma stream. And from this, it is possible to guess the mechanism of microwave power absorption.
ECR plasma was characterized by the Langmuir probe in the plasma stream. Electron temperature of about 5 ~ 8 eV and plasma density of $0.5 \sim 2 \times 10^{11} cm^{-3}$ are measured. To see the power absorption characteristics in the ECR plasma, we compared the profiles of the ion saturation current density, the plasma densities and the turning point magnetic fields of $TE_{11}$ and $TM_{01}$ mode. And it is thought that microwave is absorbed by ECR for $TE_{11}$ mode regardless of the magnetic field profile. Whereas for $TM_{01}$ mode, microwave is absorbed primarily by ECR if the peak magnetic field is less than 1000 Gauss. But as the peak magnetic field increases, the absorption of electric field parallel to magnetic field by Landau damping, becomes dominant. Moreover, the plasma density for $TE_{11}$ mode propagation, is higher than that of $TM_{01}$ mode propagation by about two times, but uniformity is worse by two times.
The uniformity of plasma SiNx and low temperature plasma thermal $SiO_2$ films are compared for $TE_{11}$ and $TM_{01}$ mode. The results show that $TM_{01}$ mode gives about twice better uniformity in film thickness, while $TE_{11}$ mode gives about two times higher growth rate. This is in agreement with the profiles of the ion saturation current density. So the deposition rate and the oxidation rate of the films are directly proportional to the plasma density. The resulting uniformity was 7% on the 6 inch wafer for $TM_{01}$ mode.
본 연구에서는 기판을 가열하지 않고 상온에서의 증착, 혹은 plasma손상이 없는 건식 식각이 가능한 ECR plasma 장치가 개발되었다. 이 장치에서는 rotary joint를 응용하여 사각 도파관과 원형 도파관을 연결하였으며, 모형 실험 결과와 같이 초고주파의 도파 mode를 $TE_{11}$ 혹은 $TM_{01}이 되도록 쉽게 조절할 수 있다. 또한 plasma네에서의 초고주파의 도파, 초고주파 전력의 흡수와 손실 및 경사 자기장에 의한 plasma의 흐름 등 ECR plsama장치의 기본적인 동작원리를 조사하고, 단순히 ECR층에서 떨어진 곳에서의 plasma 밀도 측정으로 통하여 초고주파가 흡수되는 구조와 그 때의 자기장의 크기르 추출하는 방법을 제안하였다.
ECR plasma 특성을 공정 chamber 내에서 Langmuir probe를 이용하여 측정하였으며, 약 5~8eV의 전자 온도와 $0.5\sim2\times10^{11}cm^{-3}의 plamsa 밀도를 얻을 수 있었다. ECR plasma 장치의 전력 흡수 특성을 보기 위해, $TE_{11}$ 과 $TM_{01} mode의 이온 포화 전류 밀도, plasma 밀도 및 초고주파가 흡수되는 자기장의 크기 등을 비교하였다. 그 결과 $TE_{11}$ mode의 경우 ECR에 의해 초고주파가 흡수되는 것으로 보인다. 반면에 $TM_{01} mode의 경우에는, 정자장의 첨두치가 1000 Gauss이하인 때는 초고주파가 주로 ECR에 의해 흡수되나, 정자장의 첨두치가 증가되면 Landau damping에 의한 정자자의 방향과 평행한 전기장의 흡수가 중요해진다. 한편 $TE_{11}$ mode의 경우 plasma밀도는 $TM_{01} mode의 경우에 비하여 두배 가량 크나, 균일성에서는 두배 정도 열등한 특성을 나타내었다.
Plasma 증착된 $SiN_X$박막과 저은 plasma 열 산화막의 성장 속도와 균일성을 $TE_{11}$ 과 $TM_{01} mode에 대하여 비교하였으며, 증착 속도 혹은 열산화막 성장 속도는 plasma 밀도와 비례하였다.
