Electron temperature can be controlled from 2.5 eV to 0.5 eV in 1 mTorr using grid bias voltage. Electron temperature is higher in lower pressure, when the electron temperature is high and not controlled. Electron density increases by about 3 times by decreasing the source gas pressure from 20mTorr to 1mTorr, and by about 2 times by He mixing in the temperature controlled region(diffusion region), while the electron density decreased in the source region. This electron density increase is mainly due to the increase of the high energy electron population, and the measured electron energy distribution functions clearly show this.
The electron temperature is a strong function of substrate bias voltage in the grid system. The main control parameter determining the electron temperature is the potential difference between grid-biased voltage and the plasma potential in the temperature controlled region ($Δ_ΦII,g$). When substrate bias voltage is negative, plasma parameters do not vary with substrate bias voltage due to constant $Δ_ΦII,g$.
Under the grid, the electron temperature, as well as electron density, is a strong function of a mixing ratio. The electron temperature decreases with a mixing ratio of molecular gases ($O_2$ and $CF_4$), and the large inelastic cross section of molecular gas is the reason for the decrease in the electron temperature. When the length of sheath around the grid wires is comparable to the space between the grid wires, only 10% mixing of $CF_4$ decreases the electron temperature to 0.8 eV in 10 mTorr Ar/$CF_4$ plasma.
We set a grid in a chamber to obtain low electron temperature inductively coupled plasma. The electron temperature is less than 1 eV at 15 mTorr. We carry out silicon dioxide etching in the grid system to investigate the etching characteristics in low electron temperature. Compared to the etching characteristics without the grid, the etching characteristics become very different after
setting the grid. The low dissociation rate due to low electron temperature can explain such different characteristics. With this grid method, we can obtain high etching selectivity of oxide to photoresist of 74 which is ten times higher than that without the grid.
Plasma parameters are controlled also by mixing inert gases. The electron energy distribution functions and electron temperatures are measured in Ar/He and Ar/Xe inductively coupled plasma with various mixing ratios. The electron temperature does not change linearly with the mixing ratios;
instead it increases abruptly near $P_{He}/P_{Ar + He} = 1$ and decreases rapidly near $P_{Xe} /P_{Ar + Xe} = 0 $. A simple model using a two-ion-species fluid model is suggested to explain the electron temperature variations, and it agrees well with the experimental results.
The electron energy distribution functions and plasma parameters in various gas mixture discharges $(N_2,O_2,CF_4/He,Ar,Xe)$ are measured. When He is mixed, the electron temperature increases but the electron density is almost constant. The electron temperature increases rapidly near a He mixing ratio of 1, but it is almost constant when the mixing ratio is small. In Ar mixture discharge, the electron temperature is almost constant; the electron density increases rapidly near a mixing ratio of 1, but increases slightly when the mixing ratio is small. Mixing Xe increases the electron density and decreases the electron temperature. The electron density varies in a similar way with that of the Ar mixing case. A simple two-ion-species global model is used to analyze the plasma parameter variations as a function of mixing ratio, and it agrees well with the experimental results.
We control the ion density ratio of $[N^+]/[N_2^+]$ and investigate the relation between the ion ratio and the plasma parameters in inductively coupled plasma. We measure the electron energy distribution functions and the ion ratio in a $N_2$/He,Ar,Xe mixture system as a function of mixing ratio. We can control the ion ratio from 0.002 to 1.4, and the ion ratio is a strong function of electron temperature. We can calculate the ion ratio using a simple model, and the obtained results agree well with the measured values in $N_2$/He,Ar, but there is a large discrepancy in the $N_2$/Xe discharge. The non-Maxwellian structure of the electron energy distribution functions may be the reason for the discrepancy.
챔버내에 그리드를 설치하고 DC 전압을 인가하여 유도 결합 플라즈마에서 전자온도및 플라즈마 변수를 제어하였으며, 전자 온도를 1 mTorr Ar 플라즈마에서 2.5 eV 에서 0.5 eV 까지 제어하였다. 전자 온도가 높고 제어가 되지 않는 영역에서는 전자 온도가 압력이 낮을수록 높았다. 전자 온도가 낮은 영역에서, 압력을 20 mTorr 에서 1 mTorr 로 낮추거나 He 을 혼합하면, 그리드 위 쪽 (source region)에서는 전자 밀도가 감소하나, 그리드 아랫쪽(diffusion region) 에서 전자 밀도를 증가시킬 수 있었다. 이러한 전자 밀도의 증가는 주로 그리드 위 쪽 (source region) 에서 높은 에너지를 갖는 전자들의 분포가 증가하기 때문이며, 전자 에너지 분포 곡선을 측정하여 확인 할 수 있다.
그리드 시스템에서 전자온도는 기판에 인가되는 전압(substrate bias voltage $Φ_s$)에 의해서도 변하게 되며, 그리드 밑의 플라즈마 전위와 그리드에 인가된 전압간의 차이 ($ΔΦ_{II,g}$) 에 의해서 전자 온도가 결정된다. $Φ_s$ 가 음일때는 $ΔΦ_{II,g}$ 가 일정하므로 플라즈마 변수들이 $Φ_s$ 에 따라 변하지 않는다.
혼합 개스를 쓸 경우, 그리드 아래 쪽의 플라즈마 변수는 개스들의 혼합비에 따라 변하게 된다. $O_2$/Ar , $CF_4$/Ar 방전의 경우 , $O_2$ 와 $CF_4$ 의 비탄성 충돌 단면적 (inelastic collision cross-section)이 크기 때문에, $O_2$ 와 $CF_4$ 혼합비가 증가할 수록 전자 온도가 떨어진다. $CF_4$/Ar 10 mTorr 경우, 그리드선 주위의 덮개 길이 (sheath length) 가 그리드 선 사이의 거리와 비슷하거나 길 경우 $CF_4$ 를 10% 만 혼합하여도 전자 온도가 0.8 eV 까지 감소하였다.
그리드를 이용한 전자 온도 제어 방법을 SiO$_2$ 식각에 응용하였다. 전자 온도는 15 mTorr 에서 1 eV 이하였다. 그리드를 설치 한 후 식각 공정을 하면, 그리드가 없을 경우의 식각 공정과 크게 다른 결과를 얻었으며, 낮은 전자 온도에 의한 낮은 분해율 (dissociation rate) 이 그 요인이라 생각된다. 그리드 방법을 사용할 경우 $SiO_2$ 대 PR (photo resist) 식각 선택비는 74 였으며, 이것은 그리드가 없을 경우와 비교하여 10배 가량 높은 것이다.
비활성 기체 혼합을 이용한 플라즈마 변수를 제어도 가능하다. Ar/He, Ar/Xe 유도 결합 플라즈마에서 혼합비에 따른 전자 에너지 분포를 측정하여 전자 온도를 얻었다. 전자 온도는 혼합비에 선형적으로 증가하는 것이 아니라, He 을 혼합할 경우, He 혼합비 ($P_{He}/P_{Ar+He}$) 가 1 근처일때 급격히 증가하였으며, Xe 을 혼합할 경우 Xe 혼합비가 0 주위에서 급격히 감소 하였다. 간단한 two-ion-species 모델을 세워 전자 온도 변화를 설명하였으며, 실험치와 잘 일치하였다.
여러가지 혼합기체 플라즈마 ($N_2,O_2,CF_4/He,Ar,Xe$) 에서 혼합비에 따른 플라즈마 변수의 변화를 측정하였다. He 을 혼합하였을 경우 전자 온도는 증가하나, 전자 밀도는 거의 일정하였다. 전자 온도는 He 혼합비가 1 근처에서 급격히 증가하였으며, 혼합비가 낮을 경우는 거의 일정하였다. Ar 을 혼합할 경우는 전자 온도는 거의 일정하나 전자 밀도가 크게 증가하였다. 전자 밀도는 Ar 혼합비에 선형적으로 증가하는 것이 아니라 Ar 혼합비가 1 에 가까울 때는 급격히 증가하며, 혼합비가 낮을 때는 증가량이 적었다. Xe 을 혼합할 경우 전자 온도는 감소하고 밀도는 증가하였다. 전자 밀도가 증가하는 모양은 Ar 을 혼합하였을 경우와 비슷하였다. two-ion-species 모델을 이용하여 전자 온도및 밀도 변화를 분석하였으며, 실험결과와 잘 일치하였다.
비활성 기체 혼합을 이용하여, $N_2$ 플라즈마에서 $[N^+]/[N_2^+]$ 의 비를 0.002 에서 1.4 까지 제어하였으며, 플라즈마 변수와의 상관관계를 조사하였다. $N_2$/He,Ar,Xe 플라즈마에서 비활성 기체 혼합비에 따른 전자 에너지 분포를 측정하였다. $[N^+]/[N_2^+]$ 는 전자 온도의 함수였으며 전자 밀도와는 거의 무관하였다. 간단한 모델을 세워 혼합비에 따른 $[N^+]/[N_2^+]$를 계산하였으며, $N_2$/He,Ar 혼합 플라즈마의 경우는 잘 일치하였으나, N$_2$/Xe 의 경우는 큰 오차가 있었으며, Xe 혼합에 의한 non-Maxwellian 전자 에너지 분포가 그 요인으로 생각된다.
