Arcing phenomenon was investigated in RF capacitively coupled plasma. The main arcing observed in this study can be categorized into the micro arcing which is considered as the breakdown of the sheath or the dielectric because the other arcing modes are less likely to occur. To explain the sheath breakdown, we apply Towndsend theory to the sheath in RF discharge. That describe the sheath breakdown well and roughly estimates the arcing-occurring voltage. The (solid) dielectric breakdown is caused by the sheath breakdown. Therefore, the sheath breakdown must be prevented to protect originally the arcing. Factors to determine arcing frequency are dielectric strength and applied electric field. It was found that the voltage depth of arcing peak means degree of breakdown, and is proportional to sheath voltage. The increase of plasma potential is the main mechanism to occur the arcing. The sheath voltage increased by plasma potential, increasing the electric field in sheath, make arcing condition. Roughness is critical factor to occur arcing in arcing-avoiding condition. By anodizing the electrode, both the arcing frequency and the peak depth are diminished because the electric field in sheath is increased. To avoid the arcing, it is needed to estimate the arcing voltage and to measure the plasma potential and to remove the dielectric deposited on surface by cleaning.
아킹은 TFT-LCD, 반도체, PECVD, RIE 핵융합을 위한 tokamak 등 많은 공정에서 문제가 되고 있다. DC를 이용한 공정에서는 아킹이 어느 정도 연구가 되어 있지만, 현대에 많은 공정이 RF를 사용하고 있음에도 불구하고 RF공정에서의 아킹은 아직까지 연구가 되지 않았다.
아킹은 DC에서 연구된 바로는 3가지 유형이 있다. Unipolar 아킹, bipolar 아킹, 마이크로 아킹이 그것이다. 여기에서 unipolar 아킹과 bipolar 아킹은 글로우 영역에서 아크 영역으로의 전이를 의미한다. 여러 가지 참고 문헌에 따라 RF에서 이 두 가지 유형은 없다고 생각된다. 마이크로 아킹은 의도되지 않은 전기적 brakdown을 의미한다. 따라서 구체적으로 마이크로 아킹을 쉬스 breakdown이나 유전체 breakdown이라 생각할 수 있다. 본 논문은 이 두가지 breakdown에 대해서 이야기 한다.
유전체 breakdown은 전도를 허용하는 유전체의 부분 이온화를 의미한다. 쉬스 breakdown과 구별되는 특징은 breakdown 전압이 높은 것과 발생시 빛이 방출된다는 것이다. 또한 쉬스에 비해 높은 에너지를 저장하고 있기 때문에 breakdown시 쉬스 breakdown에 비해 플라즈마에 크게 영향을 끼친다. 하지만 의도적으로 수십 마이크로미터의 두께로 유전체를 증착했을 경우, 실험환경의 전압에 비해서 breakdown 전압이 매우 높기 때문에 완전한 breakdown은 일어나기 힘들다. 하지만 부분적인 breakdown은 일어나는 것으로 보이고 이는 쉬스 breakdown으로 인해 일어나는 것으로 보여지고 있다. 이는 본문 중에 쉬스 breakdown의 재충전 과정 중 월로의 전자의 이동으로 일어나는 이중 아킹 현상으로 보여진다.
우리는 쉬스 breakdown을 설명하기 위해 breakdown 모델을 제시한다. 쉬스에서의 대부분은 중성 가스이고 전기장이 존재하므로 쉬스에서의 방전을 생각할 수 있다. 즉, 쉬스에서 방전이 일어났을 때를 우리는 쉬스 breakdown이라고 본다. 좀 더 정량적인 아킹을 예상하기 위해 우리는 쉬스에서의 DC방전을 생각한다. 아킹이 발생하는 환경은 플라즈마 포텐셜이 매우 높기 때문에 쉬스에서의 전기장을 DC라고 여기는 것은 합리적이다. 그렇다면 파센 커브를 이용하여 우리는 대략적인 아킹 전압을 예상할 수 있다. 파셴 커브를 이용한 breakdown 전압과 실험적으로 얻어지는 breakdown 전압은 오차를 보여주지만 아킹의 정성적인 면은 파셴 커브를 따라서 행동한다. 다시 말하면, 쉬스의 길이와 압력의 곱에 의해 breakdown 전압이 정해지고 이 전압과 쉬스의 길이에 의해 쉬스의 유전 세기가 정해진다. 이것에 의한 아킹을 예방하기 위한 한가지 방법은 저압 공정의 경우 압력을 되도록 낮은 상태에서 유지하여 쉬스의 유전 세기를 크게 유지시키는 방법이 있다.
실험은 작은 크기의 보통 CCP에서 수행된다. 플라즈마 포텐셜을 증가시켜 인위적으로 아킹을 발생시키기 위해 BOP를 이용했다. 아킹 신호로는 프로브와 오실로스코프를 통한 플로팅 포텐셜을 측정했다.
실험으로 얻어지는 아킹 인자는 아킹 진동수와 아킹 픽의 크기이다. 아킹 진동수는 아킹이 발생하는 횟수의 정도를 의미하고 아킹 픽의 크기는 아킹이 플라즈마에 영향을 끼치는 정도를 의미한다.
실험 데이터는 두 개의 스케일의 픽을 보여준다. 우리는 스케일이 큰 픽을 나노미터 스케일의 유전체가 breakdown하는 것이라 보고 있고 작은 스케일의 비교적 규칙적인 픽을 쉬스 breakdown이라고 본다. 앞에서도 말했듯이 의도적으로 증착한 마이크로미터 스케일의 유전체 breakdown은 일어나기 힘들다.
실험에 따르면 아킹은 플라즈마 포텐셜에 의존한다. 아킹 진동수를 결정하는 것은 sheath에서의 전기장과 쉬스의 유전세기이다. 우리의 실험환경 내에서 플라즈마 포텐셜이 변해도 쉬스의 길이와 압력은 변하지 않는다. 따라서 파셴 커브에 의해 쉬스의 유전세기는 일정하다. 하지만 플라즈마 포텐셜의 증가에 따라 sheath전압이증가하므로 쉬스에서의 전기장은 증가한다. 즉, 플라즈마 포텐셜의 증가에 따라 쉬스의 유전 세기는 일정하지만 쉬스에서의 전기장이 증가하기 때문에 아킹 진동수는 증가하게 된다. 아킹 픽의 크기가 증가하는 이유는 플라즈마 포텐셜의 증가에 따른 쉬스 전압의 증가로 간단하게 설명할 수 있다. 분명히 플라즈마 포텐셜은 아킹을 결정하는 중요한 인자이다.
아킹은 전도체의 거친 정도에도 의존한다. 전하들이 거친 면으로 이동하므로 부분적으로 거친 면 위에서 전기장이 증가한다. 더 정확히는 쉬스 전압은 평탄한 면과 같지만 거친 부분에서 쉬스의 길이가 짧아지기 때문에 전기장이 증가하게 된다. 따라서 평탄한 면이나 거친 면이나 아킹 픽의 크기는 같지만 거친 면에서 아킹 진동수가 평탄한 면보다 더 크다. 거친 정도에 의한 아킹은 부분적인 쉬스 전기장의 증가에 기인하기 때문에 아킹이 일어나지 않는 플라즈마 상태라 하더라도 거친 정도에 의한 아킹은 일어날 수 있다.
아킹을 피하기 위해서 챔버의 내부나 전극을 산화시키는 것은 자주 쓰이는 방법이다. 이는 산화에 의한 두꺼운 유전체의 증착으로 인해 쉬스의 전기장이 절반 정도로 감소하기 때문이다. 실험 결과는 이를 잘 보여준다.
공정이나 많은 실험에서 아킹을 피하기 위해 챔버의 내부를 클리닝한다. 이는 나노 미터 스케이르이 유전체를 제거하는 과정이다. 쉬스 breakdown은 나노 미터 스케일의 유전체의 breakdown에 비해 플라즈마에 거의 영향을 끼치지 않으므로 이는 비교적 효율적인 방법이다. 하지만 근본적으로 아킹을 예방하기 위해서는 쉬스 breakdown을 방지해야 한다. 그러기 위해서는 정확한 아킹 전압을 예측하는 일이 중요하다. 우리는 차후에 이에 대한 연구를 수행할 것이다.
