A modern trend of Very High Frequency (VHF) and Dual Frequency (DF) driven Capacitively Coupled Plasma (CCP) sources in industrial plasma processing stimulates a lot of studies concerning the effect of driving frequency in CCP. However, the physics associated with driving frequency are still not fully understood. The research presented here focuses on the driving frequency effect on the plasma parameters and plasma uniformity in CCP. To investigate the driving frequency effect, rf current-voltage monitoring system, rf-compensated Langmuir probe system, and magnetic fluctuation (B-dot) probe system are developed. Experiment has been performed in wide range of external parameters (i.e. various driving frequencies, gas pressures, and powers).
The effect of driving frequency on the electrical characteristics and the plasma parameters (electron density and temperature) was measured using the rf current-voltage monitoring system and the rf-compensated Langmuir probe system under fixed discharge power and pressure conditions. Through the measurement, we found that as driving frequency increase (from 9 to 27.12 MHz), the discharge current increases while the discharge voltage decreases. And it was also found that the electron temperature increases and the electron density remains almost constant or decreases with driving frequency, over a wide range of discharge power and pressure conditions (50 - 300 W of discharge power and 50 - 400 mtorr of argon pressure).
These results indicate that more power is dissipated for electron heating in the plasma at higher frequencies compared with lower frequencies, while the power dissipated for ion acceleration in the sheaths is reduced with driving frequency. In addition, the increased electron dissipation power at higher frequencies mainly influences the plasma for increasing average electron energy rather than increasing the electron density. The enhancement of electron temperature at higher driving frequencies can be explained as a result of an enhancement of collisional heating in the bulk plasma under the fixed discharge power condition. The result concerning the driving frequency effect on the plasma parameters is opposite to previous studies, which suggest that the higher driving frequency is more efficient in increasing the electron density. Thus, the physical role of each driving frequencies in DFCCP can be different from current understanding that is based on the previous studies (i.e. the high-frequency source dominates the plasma production and the low-frequency source dominates the ion bombardment energy on to the electrode).
To understand the exact physical role of each driving frequency in DFCCP, the plasma parameters were measured using rf-compensated Langmuir probe under various discharge conditions of 2 MHz / 27.12 MHz DFCCP. Through the measurement, we found that the low frequency power predominantly enhances the discharge voltage rather than the discharge current (i.e. as the low frequency power increases at the fixed high frequency current, total discharge voltage increases significantly while total discharge current is not much increased). This result means that the increase of low frequency power is effective in achieving the higher ion bombardment energy onto the electrode. On the other hand, we also found that the low frequency power strongly influences the electron heating mechanism in the plasma. As the low frequency power increases, significant change of Electron Energy Distribution Function (EEDF) and plasma parameters was observed (i.e. increase of electron density and reduction of electron temperature). This result indicates that the independent control of ion flux and energy onto the electrode can not be easily achieved in DF CCP. However, the addition of a low frequency power is still good for the etching processes which need both higher ion energy and flux onto the electrode because it will leads to higher electron density and higher sheath voltage.
The driving frequency effect on the plasma uniformity becomes significant when the CCP is operated using VHF power sources and/or large area electrodes. To elucidate plasma non-uniformity in VHF CCP, Langmuir probe and B-dot probe measurements were carried out in the radial direction in a cylindrical capacitive discharge driven at 90 MHz with argon pressure of 50 mTorr and 400 mTorr. Through the measurements, a significant inductive electric field (i.e. time-varying magnetic field) was observed at the radial edge, and it was found that the inductive electric field creates strong plasma non-uniformity at high pressure operation. The plasma non-uniformity at high pressure operation is physically similar to the E-H mode transition typically observed in inductive discharges.
본 연구는 축전 결합 플라즈마에서 명확히 규명되지 않은 구동 주파수의 효과에 관한 연구로서, 간략히 요약하면 다음과 같다.
축전 결합 플라즈마에서 구동 주파수(9 ~27.12MHz)와 플라즈마 변수의 관계를 연구하였다. 연구결과 고정된 파워 조건에서 구동 주파수를 증가시킬 경우 전자의 온도를 증가하나, ??의 밀도는 거의 일정하거나 오히려 조금 감소하였다. 이러한 결과의 물리적 원인은 구동 주파수에 따른 Bulk 플라즈마내 전자들의 충돌가열(Collisional heating)증가에서 찾아볼 수 있었으며, 이 결과는 기존의 고정된 전압 조건에서 이루어졌던 많은 연구들과 상반되는 결론을 보여주었다. 즉, 기존의 연구들을 통해 제시되었던 '높은 주파수를 사용 할수록 밀도 높은 플라즈마를 발생 시킬 수 있다'는 것이 사실과는 다를 수도 있다는 점이다. 또한, 이 결과는 기존의 연구들을 배경으로 고안된 이중 주파수(Dual Frequency) 축전 결합 플라즈마의 경우 각 주파수의 역할이 현재 이해하고 있는 것과는 다를 수 있음을 나타낸다.
따라서, 이중 주파수 축전 결합 플라즈마에서 각 주파수의 역할을 좀더 엄밀히 규명하기 위하여, 각 구동 주파수와 플라즈마 변수 및 전기적 특성변화의 관계를 조사하였다. 조사결과 이중 주파수 축전 결합 플라즈마에서 높은 주파수 전류를 고정한 채로 낮은 주파수 파워를 증가시킬 경우, 낮은 주파수 파워 증가에 따라 방전 전압이 크게 증가하는 것을 확인 하였다. 방전 전류의 경우 작은 양의 증가가 있었으나 전체 방전 전류의 변화량은 크지 않았다. 이렇게 낮은 주파수에 따라 방전 전압이 크게 증가하는 것은 낮은 주파수가 전극으로 입사하는 이온의 에너지를 조절 할 수 있음을 나타낸다. 아울러, 낮은 주파수 파워 증가에 따라 플라즈마 변수들 또한 크게 변화하는 것을 확인하였다. 즉, 낮은 주파수 파워를 증가시키면 전자 밀도는 증가하고, 전자 온도는 감소하는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 낮은 주파수 파워증가가 플라즈마내 전자의 가열 Mechanism을 변화시켰기 때문으로 해석된다.
이상의 이중 주파수 축전 결합 플라즈마에서의 실험결과는 그 동안 이중 주파수에서 기대되었던 전극으로 입사하는 이온의 에너지와 Flux를 독립적으로 제어하는 것이 실제적으로는 실현되기가 어렵다는 것을 나타낸다. 그러나 낮은 주파수를 인가해 줌에 따라 이온의 에너지와 Flux가 동시에 증가하는 것은 Etching과 같은 특정 공정에서는 상당히 도움이 되는 특성이다. 따라서 비록 이온 에너지와 Flex의 독립적 제어가 실현되기 어렵다 해도 이중 주파수 축전 결합 플라즈마는 Etching 공정에서 다른 장비들에 비해 우수한 성능을 제공할 수 있다. 현재 Dielectric Etching 공정에서 이중 주파수 축전 결합 플라즈마가 널리 이용되는 이유는 여기에 있을 것으로 예상된다.
추가적으로, 매우 높은 구동 주파수를 사용하는 축전 결합 플라즈마에서의 플라즈마 균일도에 관한 연구를 통해 높은 구동주파수 사용시 발생하는 전자기 효과(Electromagnetic effect)에 의하여 플라즈마 불균일 현상이 발생 할 수 있음을 확인하였다. 매우 높은 구동 주파수를 사용할 경우, 일반적인 13.56MHz 축전 결합 플라즈마 내에서 유효한 정전 근사(Electrostatic approximation)가 더 이상 유효하지 않으며, 전극 외곽 부분에 강한 자기장이 유도됨을 확인하였다. 이러한 자기장은 다시 전극 외곽 부분에 강한 유도전기장을 만들어내고 이로 인해서 이 부분에서 플라즈마로의 파워 흡수가 증가하게 된다. 따라서 플라즈마 밀도의 공간적 분포가 전극의 중심부분에서는 낮고 외곽으로 갈수록 증가하는 모양을 띄게 되며, 이는 대면적 고주파 축전결합 플라즈마에서 플라즈마 불균일 현상의 주요 원인이 된다.
