We report the experimental results of a new inductively coupled plasma source for next generation plasma processing. The new source, which we have called a parallel resonance antenna (PRA), is designed to reduce problems caused by large antenna inductance and to improve the plasma density uniformity for large area processing. The parallel connection of the coils reduces the antenna inductance small and low inductance decreases the antenna voltage. An external variable capacitor is connected in series to an outer coil to obtain good plasma uniformity. As experimental results, the LC-resonance effect is elucidated by observing the reduction of the antenna voltage and variation of the current in the outer coil. We can control the radial plasma density with 3% uniformity by only varying the external capacitance with various discharge powers and pressures. Plasma parameters measured by the rf-compensated Langmuir probe shows similar properties to those of general ICPs.
To control the plasma parameter control, we use various methods such as driving frequency and bias frequency variation and pulsed ICP operation.
We can easily increase the driving frequency up to 27.12 MHz due to the low antenna inductance We can also control the radial plasma density with 5% uniformity by only varying the external capacitance at 27.12 MHz. The electron density in 27.12 MHz is lower than that in 13.56 MHz at the same discharge power. An essential difference was found in the effective electron temperature. The lower electron temperature in 27.12 MHz is obtained from EEPFs.
Using IV monitor, the electrical characteristics such as antenna voltage, current and phase are measured to obtain the power coupling efficiency. As the power transfer efficiency of 27.12 MHz discharge is lower than that of 13.56 MHz, lower electron density can be obtained.
Plasma parameters are measured by various bias frequencies. Plasma density decreases with power due to the increase of ion loss at 2 MHz bias. On the contrary, plasma density increases with discharge power at 27.12 MHz bias.
We operated the pulsed ICP to control the plasma density high and the electron temperature low at modulation frequencies of 1 kHz and 10 kHz and 50% duty ratio. Langmuir probe measurements of the temporal behavior of the electron energy distribution function are presented. After the power has been turn off, electron temperature decays rapidly and electron density decays slowly. Main energy loss is the wall loss of the high energetic electrons.
차세대 공정을 위한여 새로운 유도 결합 플라즈마 원을 개발하였다. 병렬 공명 안테나로 불리는 새로운 플라즈마 원은 높은 안테나 인덕턴스에 의해 야기되는 문제점들을 해결하여 대면적 공정에서 높은 플라즈마 균일도를 가진다. 안테나 코일의 병렬 연결에 의하여 전체 안테나의 인덕턴스를 매우 낮추었으며, 외부에 가변 축전기를 삽입하여 균일도를 조절할 수 있도록 하였다. 실험 결과로써 LC 공명 현상에 의해 낮은 안테나 전압과 전류 분포의 조절이 이루어졌다. 여러가지 다양한 입력 파워와 압력에 따라서 외부 가변 축전기를 조절함으로써 플라즈마의 균일도를 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 플라즈마 변수의 제어를 위하여 구동 주파수 증가, 바이어스 주파수 변조, 펄스 ICP등의 방법을 이용하였다. 병렬 공명 안테나는 낮은 인덕턴스를 가지므로 쉽게 고주파 (>27.12MHz) 방전이 용이하다. 27.12MHz에서 플라즈마를 방전하여 측정한 결과, 5%이하의 높은 균일도를 확보하였고, 전자 온도에서 일반적인 방전보다 낮아지는 결과를 얻을 수 있었다. IV 모니터를 이용한 13.56MHz에서와 비교 실험을 통하여 27.12MHz에서 파워 전달 효율이 낮아짐으로써 낮은 전자 밀도를 가지게 된다. 바이어스 주파수를 2 MHz에서 27.12 MHz로 바꾸어 가며 전자 밀도등을 측정하였따. 펄스 ICP를 이용하여 전자 밀도는 유지한 채, 전자 온도를 매우 낮출 수 있음을 확인하였다.
