For precise measurements of the electron density and temperature in bis-trimethylsilymethane (BTMSM) and argon plasma, the authors adapted a wave cutoff method that use the plasma frequency and floating type probe that use nonlinear characteristics. The films were deposited on a p-type Si(100) substrate by means of UV-assisted inductively coupled plasma-enhanced chemical vapor deposition. Fourier transform infrared spectroscopy was used to investigate the bonding configuration of the SiCH films. With UV illumination, the electron density was found to increase in the low power region and decrease in the high power region. The peak intensity of Si-CH3 decreases with UV illumination under all conditions.
When the RF power is lower, the electron energy is not high enough to dissociate the BTMSM molecular state fully. Furthermore, given the large number of organic monomers, polymerization becomes the predominant mechanism. The effect of the UV illumination is the dissociation of the Si-CH3 monomer. Moreover, when the UV source illuminates the plasma, the peak intensity of CH2 increases whereas the peak intensity of CH3 decreases.
As the RF power increases, the BTMSM becomes nearly dissociated into more reactive ions and radicals such as $Si^\ast $and $-CH3^\ast$. Thus, at a high power, the film deposition process depends more on reactive ions and radicals.
Floating probe results show that the electron temperature is not affected by UV illumination. In other words, UV illumination is generally related to the dissociation, but cannot affect plasma heating.
According to the electron data, the difference in the electron density with UV illumination and without UV illumination decreases as the pressure increases. The dissociation rate of the BTMSM molecules decreases as the pressure increases. And the UV photons are absorbed to other vibration or transition channels that are not contributing to the dissociation process as the pressure increase.
최근의 반도체 공정에서 집적도 향상에 따른 배선간, 층간 절연 물질로 연구되고 있는 저유전율 박막 증착을 위한 물질로써 연구되고 있는 BTMSM은 빠른 증착 속도를 보이는 물질이다. 이 물질을 플라즈마 상태로 만들어서 증착을 했을 때, 플라즈마 내에 자외선을 조사 시켰을 때, 증착 속도의 증가가 발견되었고, 플라즈마 내의 상태에 대한 연구가 이루어지게 되었다.
플라즈마에 자외선을 조사 시켰을 때, 자외선은 BTMSM 분자 및 파생되는 분자들의 광분해 현상에 관여하게 된다. 그 중에서 박막 증착 결과를 통해 쉽게 확인할 수 있는 성분은 SiCH3와 CHn 분자들이다. 본 실험에서는 주로 이 분자들에 대한 분석을 통해 플라즈마 상태를 설명하고자 했다.
실험은 자외선 소스가 부착된 ICP 타입의 플라즈마 발생 안테나를 이용해서 플라즈마를 방전 시켰다. 압력을 50에서 100 mtorr까지 변화시키면서 플라즈마의 특성에 대해 알려주는 전자 밀도와 전자 온도를 측정하였다.
50 mtorr 에서 약 450W 부근에서 낮은 파워영역에서는 자외선을 조사시켰을 때, 전자밀도의 증가현상을 보였고, 높은 파워 영역에서는 반대의 현상을 보였다. 낮은 파워에서는 충분치 못한 에너지로 인해서 BTMSM 분자들이 완전히 분해되지 못해서 다수의 단위체로 존재하게 된다. 이러한 경우 박막 증착은 그러한 물질들의 중합이 주 반응 경로가 된다. 이러한 상태에서 자외선을 조사시켜주면, SiCH3의 경우 Si와 CH3로 분해가 되는 것을 박막 결과로 알 수 가 있었다. 이러한 광분해 반응이 일어나게 되어서 플라즈마 조성은 단위체 구성에서 원자 상태의 물질이 더 많아지게 되는 현상이 일어나게 되고, 원래 상태보다 작은 이온화 문턱 에너지로 인해, 이온화가 좀 더 쉬워지게 된다. 이것은 다시 말해서 전자 생성이 쉬워진다는 말이 되고, 플라즈마의 전자 밀도 증가의 결과로 나타난다.
높은 파워 영역에서는 충분한 에너지로 인해 BTMSM 분자들이 완전히 분해가 되는 상태이다. 이러한 상태에서는 플라즈마의 구성이 단위체들보다는 반응성 원자나 이온들의 형태로 존재하게 되고, 박막의 구성도 이러한 물질들의 반응에 의해 결정된다. 이러한 상태에서 자외선을 조사시켜주었을 때, SiCH3는 존재 자체가 별로 없기 때문에, 중요한 반응경로가 되지 못한다. 하지만, CHn의 경우를 살펴보게 되면, CH2/CH3 비가 자외선 조사시키는 경우, 증가하는 것을 알 수 있었다. 즉 CH3의 광분해를 일으켰다는 것을 보여주었는데, 이러한 경우 CH2의 상태가 좀 더 높은 이온화 에너지 값을 가지며, 낮은 충돌 계수를 가진다. 따라서, 플라즈마의 이온화가 어렵게 되고, 그에 따른 전자 생성 반응이 힘들어져서 전자밀도는 떨어지게 된다.
압력을 증가시켜주게 되면, 공통적으로 이러한 자외선에 의한 전자 밀도의 변화가 줄어들게 된다. 압력이 증가하게 되면서, BTMSM의 분해 정도가 줄어들게 된다. 이것은 자외선에 의해 영향 받을 수 있는 SiCH3나 CHn의 생성 또한 줄어들게 됨을 의미하며, 자외선의 역할이 감소하는 것을 의미한다. 한편 압력이 증가하는 것은 물질들의 밀도 또한 증가하게 되는데, 이에 따라 자외선의 광자들이 광분해 반응이 아닌, 단순 진동이나 위치 이동 반응에 흡수되는 경우가 증가하게 된다. 이 것 또한 자외선의 효과 감소에 영향을 미치게 된다.
