A large-area transformer coupled plasma (TCP) source has been designed and constructed. In this design, a plasma generation chamber and a RF (Radio-Frequency) antenna chamber have been separated with dielectric material, and differentially pumped to accommodate large-area, relatively thin dielectric window against mechanical pressures. With large diameter (78cm) chamber, low frequency (4-5MHz) RF source has been chosen. By calculating plasma impedance from TCPRP code based on 2D heating theory, the diameter of a single-turn copper coil antenna was optimized to provide high-density plasmas in large area. Also the impedance matching circuit of this large-area TCP source has been designed from the calculated plasma impedance.
Large-area helium plasma was successfully generated and used to study power coupling in this source using the single-turn antenna. E-H transition phenomenon was observed, and threshold current was measured. Threshold current and power were measured to be lower at low pressure than at high pressure, and look to be linear with pressure. In H-mode antenna impedance and reactance decrease as RF power increases. This means that increased mutual inductance between antenna and plasma loop decreases primary side inductance as plasma density increase. Power transfer is more efficient at low pressure than high pressure. From these results, optimum pressure range is observed to be 1-10mTorr.
반도체 공정에서 기존보다 큰 30cm 웨이퍼를 이용하기 위해서 기존의 ECR, Helicon, ICP, 등 공정용 고밀도 플라즈마 원들의 대면적화에 대한 연구가 세계적으로 진행되고 있다. 현 상황에서는 평판형 안테나를 이용한 TCP가 대면적용 플라즈마 원이 가장 유력한 후보로 여겨지고 있다. TCP를 대면적화 하는데 있어서 중요한 문제점으로는 대면적에서의 큰 안테나 인덕턴스로 인한 임피던스 정합과 대면적에서의 유전물질의 기계적 강도이다. 얇은 유전물질을 사용할 수 있도록 대면적 TCP 플라즈마 원을 설계 제작하였고 이차원 가열이론을 이용한 TCPRP code를 이용하여 안테나의 반경을 결정하였다. 안테나의 인덕턴스 값을 줄이기 위해서는 주파수는 13.56MHz 보다 낮은 4-5MHz 부근에서 작동하는 RF 파워를 선택하였다. 이 파워 서플라이는 보통 사용되는 50 ohm 출력 임피던스를 갖는 형태가 아니라 LC 공진현상을 이용하여 부하에 파워를 전달하는 형태이다. TCP 장치에 사용할 수 있도록 파워 서플라이 출력 단에 안테나와 직렬로 콘덴서를 달아서 임피던스 정합을 할 수 있게 하였다. 안테나에 직렬로 달아줌으로써 안테나의 인덕턴스를 줄여주는 효과를 얻을 수 있다. 안테나에 흐르는 전류를 측정하기 위해서 사각형 루프로 전류 픽업 코일을 만들었고 진공상태에서 RF 파워를 인가하고 안테나의 전류와 전압을 측정하여 픽업 코일결과를 조정하였다. 발생기체로는 헬륨을 사용하였고 1-100Torr의 압력범위에서 실험을 하였다.
플라즈마를 발생시키고 파워를 증가 시킴에 따라 E-H mode transition 현상이 관찰되었고 그 때의 임계 전류 값을 측정하였다. 압력이 낮을수록 모드 변화가 일어나는 전류의 값이 작았다. 임계 전류는 압력에 대해서 선형적인 특성을 보였다. 이는 압력이 낮을수록 유도결합이 더 잘 된다는 것을 의미한다.
1mTorr에서는 H-mode에서 안테나의 전류가 파워를 증가시킴에 따라 계속 증가하였으나, 압력이 올라갈수록 조금씩 증가하는 정도가 줄어들고, 100mTorr에서는 포화된 값을 나타냈다. 안테나의 전류는 Q 값에 의해서 지배되는 데 압력이 높으면 파워를 증가함에 따라 Q 값이 감소하는 걸로 생각할 수 있다. 이는 플라즈마에 의한 안테나의 인덕턴스 와 저항의 변화중에서 저항이 커지는 정도가 더 크다고 볼 수 있다. H-mode로 넘어간 후에는 파워가 증가함에 따라 안테나의 임피던스 값이 모든 압력영역에서 줄어드는 경향을 보였고, 이는 플라즈마의 인덕턴스에 의해서 안테나의 인덕턴스 가 감소되기 때문이다. 파워가 증가할수록 안테나와 플라즈마 루프사이의 상호결합이 증가하는 걸로 해석할 수 있다. 안테나의 인덕턴스 변화보다는 저항성분의 변화가 컸다. 하지만 전체 임피던스로 볼 때 저항성분이 상대적으로 작기 때문에 인덕턴스의 감소가 더 큰 영향을 미치는 걸로 볼 수 있다. 하지만 플라즈마로의 파워 전달에는 저항성분만이 영향을 미치므로 저항성분의 큰 변화는 파워가 많이 전달됨을 의미한다. 파워전달 효율을 계산해 본 결과 수 mTorr 부근이 80-90% 정도의 높은 효율을 보였고 5mTorr 일 때가 가장 좋았다. 이상의 결과를 종합해 보면 4-5Mhz 부근의 주파수를 이용할 경우1-10 mTorr가 최적의 압력조건이라고 볼 수 있다.