Characteristics of helicon wave plasmas are investigated by measuring external parameters such as antenna voltage and current, and internal parameters such as electron density and electron temperature. These characteristics are studied in various frequencies, magnetic fields, and antennas. Based on these researches, low dielectric films are deposited in the helicon wave plasmas. High quality films can be made in high density plasmas.
The electrical characteristics of helicon wave plasmas have not been measured because it is difficult to measure them although they are important external parameters. In this paper, the electrical characteristics of helicon wave plasmas have been measured over a wide range of magnetic fields, RF power, frequencies and Ar gas pressures. M = ±1 mode helicon wave plasmas are generated by Nagoya type III antenna. External parameters, such as antenna voltage, current, phase shifts; and internal parameters, such as electron density are measured. The equivalent discharge resistance, reactance, and power transfer efficiency are calculated through these measurements. The characteristics of helicon mode are compared with other modes such as ICP and low-mode. The power efficiency of the helicon mode is better than that of other modes. Consequently, electron density of helicon mode is much higher than that of other modes. This means the existence of the mechanism where electrons are very efficiently accelerated by the electric field of the antenna in the helicon mode. The power efficiency of helicon mode is higher near the lower hybrid resonance frequency and at 2-20 mTorr of pressure than that at other conditions. Especially, the high power efficiency and electron density near the lower hybrid resonance frequency are found at the first time and more researches are needed near the frequency.
To investigate the reason of high efficiency near the lower hybrid resonance frequency in detail, the frequency dependence of helicon wave plasmas has been studied. Plasmas are generated by Nagoya type III antenna in 1 - 25 MHz of RF frequency and in magnetic fields of 0 - 1150 Gauss using various gases. Maxima in the electron density occur for particular frequencies at each magnetic field. These optimum frequencies are proportional to magnetic field strength and inversely proportional to the discharge gas mass. Moreover, these optimum frequencies are close to the lower hybrid resonance frequencies. These facts indicate the possibility of lower hybrid resonance heating effect in helicon wave plasmas.
In the case of the above experiments with Nagoya type III antenna, it is difficult to analyze the heating mechanism in the helicon wave plasmas near the lower hybrid resonance frequency because the antenna structure is complex. Consequently, it is difficult to analyze the new phenomena such as lower hybrid resonance although the Nagoya type III antenna is used most widely in the helicon wave plasmas. Therefore, the above experiments are done with a single loop antenna, the simplest antenna, which generates m=0 helicon wave plasmas. Especially, the radial density profiles are measured in detail and the heating locations and modes are analyzed. In this experiments, the radial density profiles abruptly change near the lower hybrid resonance frequencies. Experiments under various conditions such as various magnetic fields and gases show that these phenomena occur near the lower hybrid resonance frequencies where the electron density is high. However, the lower hybrid resonance heating mechanism in the helicon wave plasmas has not been explained and more experiments are needed. In addition to these results, it is found that the radial electron density is higher and very uniform near 50 Gauss of magnetic field than those in 0-150 Gauss. The TG ECR and landau damping is suggested for the reason but it has not been confirmed. More experiments are needed to explain these phenomena.
Based on the above researches in the helicon wave plasma characteristics, low dieletric constant SiOF films which are strong candidate for next generation inter-metal material are deposited in a helicon plasma reactor. Two methods are tried using $O_2/SiF_4$ and $O_2/FSi(OC_2H_5)_3$ mixtures and good films can be obtained without intentional heating or biasing the substrate. Optical emission spectroscopy (OES) is used to study the relation between the relative densities of the radicals and the film properties. The OES data imply that the source gases are greatly dissociated above the RF power of 900 W where the helicon mode is launched. Consequently, the deposition mechanism between helicon plasma chemical vapor deposition (CVD) and thermal CVD is different. In the case of thermal CVD, the source gases react chemically on the high temperature substrate and make films. However, in the case of helicon wave plasma CVD, the source gases are dissociated highly in high density plasma and a lot of radicals are produced to react on the substrate. Therefore, it is not necessary to heat or bias the substrate due to the assistance of high density plasma. Moreover, good and stable structure films are made due to the high dissociation rate of source gas and high ion flux. In the above experiments, some films made by helicon wave plasma CVD have much different structure from that of the films made by thermal CVD according to the source gases. It is known that SiOF films are made in thermal CVD using $O_2/SiF_4$ or $O_2/FSi(OC_2H_5)_3$ gas mixtures. In the case of helicon wave plasma CVD, SiOF films are made using $O_2/SiF_4$. However, in the case of $O_2/FSi(OC_2H_5)_3$ method, $O_2/FSi(OC_2H_5)_3$ is dissociated highly in plasma and C participates in film formation to make CF/SiOF composite film. Comparing the dielectric constant between the two methods in helicon wave plasma CVD, the dielectric constant of CF/SiOF composite film is lower than that of SiOF film because CF bonds are more effective than SiF bonds to decrease ielectric constant. The dielectric constant decreases as the density of F and C increases. The low dielectric constant films below dielectric constant 3.0 can be made.
헬리콘 파 플라즈마의 외부변수인 안테나 전압 및 전류 등과 내부 변수인 전자밀도, 전자온도를 측정하여 헬리콘 파 플라즈마의 특성을 조사하였다. 이러한 특성들은 주파수, 자기장, 안테나 모양 등을 바꾸어 가며 조사되었다. 특성조사를 바탕으로 헬리콘 파 플라즈마를 이용하여 저유전율 박막을 제조하였다. 고밀도 플라즈마를 이용하여 좋은 품질의 저유전율 박막을 만들 수 있었다. 헬리콘 파 플라즈마의 중요한 외부변수인 전기적 특성은 매우 중요한 변수임에도 불구하고 측정의 어려움으로 인해 아직까지 측정되지 못하고 있었다. 이 논문에서는 헬리콘 파 플라즈마의 전기적 특성을 다양한 자기장, 전력량, 주파수, 그리고 압력에 대하여 측정하였다. 나고야 타입 III 안테나를 사용하여 m = ±1 모드의 헬리콘 파 플라즈마를 발생시켰고, 외부변수인 안테나 전압, 전류 및 이들의 위상차와 내부변수인 전자밀도를 측정하였다. 이러한 측정을 통하여 플라즈마 저항, 리액턴스, 전력 전달 효율이 계산되었다. 헬리콘 파 플라즈마가 형성되었을 때의 특성들과 인덕티브 모드 같은 다른 성질의 플라즈마가 형성되었을 때의 특성들을 비교하였다. 헬리콘 모드의 플라즈마가 형성되었을 경우가 다른 모드의 플라즈마가 형성되었을 경우보다 전력효율이 훨씬 좋았다. 결과적으로, 헬리콘 모드일 때의 전자밀도가 다른 모드의 전자밀도보다 훨씬 높았다. 이러한 사실은, 헬리콘 모드에서 전자들이 안테나 전기장에 의해서 매우 효율적으로 가열되는 메커니즘이 있다는 사실을 암시하는 것이다. 헬리콘 모드의 경우 전력효율은 로우어 하이브리드 공명 주파수 부근 및 2-20 mTorr 정도 압력에서 가장 크게 나왔다. 특히 로우어 하이브리드 공명 주파수 부근에서 전력효율 증가와 전자밀도 증가 현상은 처음 발견된 현상으로써 더욱 자세한 연구의 필요성이 제기되었다.
위에서 언급한 로우어 하이브리드 공명 주파수 부근에서 헬리콘 파 플라즈마가 높은 효율을 갖는 이유를 좀더 자세히 분석하기 위하여 헬리콘 파 플라즈마의 주파수 의존성에 대하여 분석하였다. 나고야 타입 III 안테나를 이용하여 플라즈마를 발생하였으며, 1-25 MHz의 주파수와 0-1150 가우스의 자기장 및 다양한 질량의 가스들을 이용하여 실험하였다. 각 자기장에 따라 특정 주파수에서 높은 전자밀도를 얻을 수 있었는데 이러한 주파수는 자기장에 비례하였고 가스들의 질량에는 반비례하였다. 또한 이러한 주파수는 이론적인 로우어 하이브리드 공명 주파수와 비슷한 값을 갖았다. 이러한 사실들은 헬리콘 파 플라즈마 발생과정에서 로우어 하이브리드 공명 가열 효과가 있다는 사실을 암시하였다.
나고야 타입 III 안테나를 이용한 위의 실험은 로우어 하이브리드 공명 주파수 부근의 헬리콘 파 플라즈마 발생 메커니즘을 분석하는데 어려움이 따랐다. 나고야 타입 III 안테나는 가장 널리 쓰이는 안테나이긴 하지만 구조가 매우 복잡하기 때문에 로우어 하이브리드 공명 현상 같은 새로운 현상을 분석하기가 어렵기 때문이다. 따라서, 가장 간단한 안테나인 원형 안테나를 이용하여 m = 0 모드의 플라즈마를 발생시키고 위의 실험을 반복하였다. 특히 반경 방향의 플라즈마 밀도 모양을 자세히 측정하여 플라즈마의 가열 위치 및 모드들의 모양을 분석하였다. 이 실험 결과 로우어 하이브리드 공명 주파수 부근에서 플라즈마 반경반향의 전자밀도 모양이 급격히 변하는 것을 관찰하였다. 한편, 다양한 조건에서의 실험결과, 이러한 급격한 전자밀도의 변화가 로우어 하이브리드 공명 주파수 부근에서 일어난다는 것을 확인하였고 또한 이 주파수 부근에서는 전자밀도가 증가한다는 사실도 알아내었다. 하지만, 로우어 하이브리드 공명이 어떠한 방법으로 헬리콘 파 플라즈마의 형성에 영향을 미치는지는 아직 밝혀지지 않고 있으며 차후 좀더 자세한 실험이 있어야 할 것으로 보인다. 한편 이 실험을 수행하는 과정에서 자기장이 50 가우스정도로 낮은 영역에서 전자밀도 및 반경방향의 균일도가 주변 자기장에 비해 월등히 좋은 영역이 관찰되었다. 이러한 현상의 원인으로 TG ECR 가열과 란다우 감쇠의 두 가지 가열 방식이 제기 되었으나 아직 정확한 원인은 밝혀지지 않고 있다. 따라서 이 부분도 좀더 자세한 실험 및 이론적 고찰이 있어야 할 것으로 보인다.
이렇게 조사된 헬리콘 파 플라즈마의 기본 특성을 바탕으로 헬리콘 파 플라즈마를 이용하여 차세대 반도체 층간 절연물질로 유력시되고 있는 저유전율 상수의 SiOF 박막을 제조하였다. $O_2/SiF_4$ 와 $O_2/FSi(OC_2H_5)_3$ 가스를 이용한 두 가지 방법이 시도되었으며 기판을 가열하거나 전압을 가하지 않아도 박막이 잘 형성됨을 발견하였다. 광학적 발광 분석법을 이용하여 플라즈마 내부의 활성종의 양과 박막의 특성의 관계를 분석하였다. 이러한 분석에 따르면, 플라즈마에 유입된 가스들은 900 W 이상에서 헬리콘 모드가 형성될 때 매우 높게 분해되었다. 결과적으로 헬리콘 파 플라즈마내의 박막 형성은 열화학적 박막제조 방법과는 다른 과정을 보인다. 열화학적 박막제조 방법에서는 가스들이 높은 온도의 기판 위에서 화학적으로 반응하여 박막을 형성한다. 그러나 헬리콘 파 플라즈마를 이용한 박막제조에서는 가스들이 높은 밀도의 플라즈마에 의해 높은 분해율로 분해되어 많은 활성종들이 생성되고 이러한 활성종들이 기판 위에서 반응한다. 이러한 결과 헬리콘 파 플라즈마를 이용한 박막제조는 높은 밀도의 플라즈마의 도움으로, 가스들을 기판에서 반응시키기 위해 열이나 전압을 가할 필요가 없었다. 또한 가스들의 높은 해리율 및 플라즈마에 존재하는 많은 이온들의 도움으로 안정된 구조의 결함이 적은 박막을 만들 수 있었다. 한편, 이렇게 헬리콘 파 플라즈마로 형성된 박막은 사용한 가스의 종류에 따라 열 화학적 방법으로 형성한 박막과 완전히 다른 구조의 박막을 형성하는 경우도 있었다. 열 화학적 CVD에서는 $O_2/SiF_4$ 와 $O_2/FSi(OC_2H_5)_3$의 경우 모두 SiOF 박막이 형성된다고 알려져 있다. 헬리콘 파 플라즈마 CVD에서도 $O_2/SiF_4$는 SiOF 박막이 형성되었다. 그러나 $O_2/FSi(OC_2H_5)_3$의 경우에는 플라즈마 내에서 $FSi(OC_2H_5)_3$가 높은 해리율로 분해되어 C가 박막형성에 참여하면서 CF/SiOF 복합 박막이 형성되었다. 한편 헬리콘 파 플라즈마로 제작된 박막의 유전율을 비교해 보면 SiOF 박막보다 CF/SiOF 박막의 유전율이 조금 더 낮았는데 이는 박막내의 CF결합이 SiF 결합보다도 유전상수를 낮추는데 더 많은 기여를 하기 때문으로 밝혀졌다. 박막 내 F와 C의 농도가 올라가면 유전율은 낮아졌으며 유전상수 3.0 이하의 저유전율 박막을 제조할 수 있었다.
