Electric fields around antenna of ICP sources consist of capacitive as well as inductive ones. By quartz probe using piezoelectric resonance, electric fields were investigated around a single turn antenna. We have observed that the capacitive electric field which is nearly perpendicular to the inductive field is dominant inside a single-turn ring. The surface charge accumulates to cancel the inductive field and, at the same time, generates two orders of magnitude larger perpendicular field. Plasma density profile of normal single one-turn antenna clearly showed that the high capacitive electric field made plasma non-uniform.
Two new kinds of antenna so called parallel resonance antenna (PRA) and double stacked antenna (DoSA) were developed and studied. With PRA, inductive electric field of antenna current was controlled to obtain plasma uniformity within 300 mm by changing Cv which was connected to outer antenna piece. Various plasma density profiles could be obtained just by changing capacitance of Cv without changing external parameters such as RF power, pressures, gap distance between dielectric window and substrate. Uniformity of controlled plasma was about 3~5%, however, symmetry of density profile was not so good because of very high voltage of outer antenna of PRA.
Two problems of PRA were observed. The first thing was high antenna voltage of outer antenna and this was originated form resonance effect of the outer antenna connected to a variable capacitor serially. High antenna voltage makes plasma non-uniform and process window narrow and moreover, dielectric window would be damaged by bombardment of energetic ions. The second thing is sensitivity of plasma or plasma stbility. Since resonance point of PRA is somewhat sharp, plasma characteristics would be affected by a little change of external environment as well as Cv.
DoSA was developed to overcome this kind of asymmetry originated from high antenna voltage. Capacitive electric field of normal single one turn antenna is not uniform and this cause non-uniformity of plasma. In DoSA, the capacitive electric field was reduced and distributed uniformly by its unique antenna structure. DSA consist of two or more same shaped antenna pieces and which were parallel connected to each other with making double-stacked geometry. Excellent uniformity of about 3 % was obtained at very wide discharge parameter range. The z-window and pressure window were found to be about 100 mm and 3~30 mtorr.
본 논문은 유도결합형 플라즈마 발생장치의 안테나에 관한 것으로 안테나 주변의 축전 및 유도 전기장과 이들의 제어를 통한 플라즈마 균일도 특성의 향상에 관한 것이며 이를 요약하면 다음과 같다.
가. 안테나 주변의 전기장
유도결합형 플라즈마에 사용되는 안테나 주변의 전기장은 축전전기장과 유도전기장으로 이루어져 있다. 안테나 주변의 전기장을 측정하기 위하여 압전 공명 효과를 이용한 수정 탐침을 개발하였으며 통상의 유도결합 플라즈마에 사용되는 1-turn 안테나 주변의 전기장을 조사하였다. 안테나와 평행한 성분의 유도전기장과 축전전기장은 서로 상쇄되어 결과적으로 안테나의 주변의 전기장은 안테나 표면에 수직성분의 축전전기장이 주를 이루고 있다는 것을 밝혔다 이는 안테나 표면에 쌓인 전자들이 유도전기장을 상쇄시키고 동시에 이 전하들은 안테나에 수평인 전기장 성분보다 약 100 배 가량 큰 안테나에 수직인 축전전기장을 형성하기 때문이다. 안테나의 축전전기장은 유도전기장보다 크며 그들의 성분 중 Ez와 Er가 EΘ보다 크다는 것이 실험적으로 확인되었다. 1-turn 안테나로 형성된 플라즈마 밀도는 균일하지 않으며 이는 안테나 주변의 불균일한 축전전기장과 유도전기장에 기인함을 알 수 있었다.
나. 유도전기장 제어를 통한 플라즈마 균일도 향상 (병렬형 공명 안테나)
플라즈마 특성이 균일한 플라즈마 발생장치를 위해 유도전기장과 축전전기장을 제어할 수 있는 두 가지 종류의 안테나를 개발하였다. 그 중 하나는 병렬형 공명안테나로 명명된 것으로 이는 여러 개의 안테나가 병렬로 연결되며 바깥쪽 안테나에 가변 콘덴서를 삽입한 것이 특징이다. 가변 콘덴서의 축전 용량을 조절하면 각 안테나에 흐르는 전류를 조절할 수 있고 안테나 주변의 유도전기장의 크기를 제어할 수 있게 하며 이를 이용하여 균일한 플라즈마를 발생할 수 있다. 병렬형 공명안테나에 삽입된 가변 콘덴서를 조절하여 유도전기장의 분포를 제어함으로써 300 mm 웨이퍼 내에서 약 3~5 % 정도의 플라즈마 균일도를 확보할 수 있었다. 이는 가스 압력, 가스 종류, 인가 전력 등의 다양한 외부변수 변화에서도 가변 콘덴서의 축전용량만을 변화시킴으로써 공정에서 요구되는 플라즈마 균일도를 용이하게 확보할 수 있음을 의미한다.
하지만 이 병렬형 공명 안테나는 다양한 외부조건에서 플라즈마 균일도 제어가 가능하다는 장점도 있지만 몇 가지 단점도 있다. 첫째로 최외각 안테나의 전압이 아주 높다는 것이다. 가변 콘덴서와 직렬 연결된 최외각 안테나는 공명 조건 근처에서 사용되기 때문에 안테나에 높은 전압이 걸리게 된다. 안테나의 높은 전압은 두 가지 문제를 야기시키는데 첫번째는 고전력 조건에서 안테나 주변의 전압이 아주 높아지게 되며 이 부분에서 아크의 발생확률이 높아져 시스템의 재현성과 안정성에 큰 영향을 주게 된다. 고전압에 의한 두 번째 문제는 고전압이 걸린 안테나 주변의 유전체가 이온들의 포격에 의해서 손상을 입게 되는 것인데 이렇게 손상된 부분은 공정 중 미세 먼지 입자를 생성시키는 요인으로 작용해 소자를 손상시킬 뿐 아니라 유전체의 교환주기를 짧게 하기도 한다.
병렬형 공명 안테나의 두 번째 단점은 최외각 안테나 주변의 축전전기장이 균일하지 않다는 점이다. 안테나 주변의 축전 전기장은 플라즈마와 축전 결합 형태로 플라즈마에 영향을 주는데 균일하지 않은 축전전기장은 결국 플라즈마 밀도의 균일성에 악 영향을 미치게 된다. 이러한 단점은 대면적화 될수록 더욱 심각해 지며 소자 생산을 목적으로 하는 양산 장비에서는 치명적인 단점이 될 수 있어서 이에 대한 대응책이 필요하다. 병렬형 공명안테나는 유도 전기장을 제어하는데는 유리하지만 축전전기장을 효과적으로 제어해야 한다는 과제를 남기게 되었다.
다. 축전전기장 제어를 통한 플라즈마 균일도 향상 (병렬형 이중 축적 안테나)
불균일한 축전전기장에 의한 문제점은 병렬형 공명 안테나만의 문제가 아니며 대부분의 유도결합형 플라즈마에서 나타난다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 두개의 안테나가 병렬되어 있으며 이들이 서로 부분적으로 꼬여 이층 구조를 이루는 독특한 안테나 구조를 고안하였다. 이러한 병렬형 이중 축적 안테나(이하 DoSA)는 축전 전기장의 영향을 최소화 시키며 동시에 축전전기장을 균일하게 분포 시킨 안테나이다. 본 연구에서는 “z-window”와 “전이점” 그리고 “pressure window” 등을 정의하여 이를 바탕으로 유전체로부터의 거리 및 압력에 따른 DoSA의 플라즈마 균일도 거동을 살펴보았다. DoSA는 반경방향의 플라즈마 균일도 뿐만 아니라 회전방향의 균일도 특성 또한 뛰어남이 확인되었다. 이런 우수한 회전 방향의 균일도 특성은 가스 압력, 가스 종류, RF 전력, 챔버의 높이 등의 외부변수의 넓은 변화 폭에 대해서도 플라즈마 균일도가 3~5 % 정도로 확보됨을 보여주었다.
