A pulsed inductively coupled oxygen plasma was studied by the measurement of the radial electron density distributions by using the time-resolved single Langmuir probe measurement method, and the measured results were compared with the radial electron density distributions of CW(continuous wave) oxygen plasmas at various pressure conditions. The chamber used in this experiment was the cylindrical SUS chamber of 700 mm in diameter and the measurement was done along the radial direction distant from the dielectric window by 100 mm. To generate pulsed plasmas, 13.56 MHz radio frequency power was used and modulated with pulse(square wave) frequencies of 1 ~ 10 kHz. The duty ratio was fixed at 50% in most of the cases. To see the change between the regimes of different electronegativity, 5 mTorr and 30 mTorr conditions are thoroughly measured along the time and radial directions. The time averaged radial electron density profile of pulsed oxygen plasma shows a more flat shape than that of CW oxygen plasma at 5 mTorr, but it shows the opposite trend at 30 mTorr. In addition to these results, the electron density simply increases during the pulse on- time and gradually decreases during the pulse off-time at 5 mTorr, but it tends to be more complicated as the pressure increases. At 30 mTorr, the electron density initially decreases to its lowest value during the pulse on-time and again increases to its highest value during the pulse off-time even though the electron temperature and sheath voltage have already collapsed to its lowest value. These quite different time evolutions of the electron density relative to a ordinary pulsed argon plasma are considered to be caused by the increased negative ion (O-) population along the increase of the discharge pressure. The detachment reaction of negative ions contributes to the large increment of the electron density and it acts as a creation source of electrons during the pulse off-time.
Understanding behaviors of electronegative plasmas are important because most of the processing gases in industrial applications have electronegative characteristics. As a representative parameter, electronegativity ($n_{-}/n_{e}) of such plasmas can help us understand the detailed behavior of a particular plasma process. Electronegativity in continuous and pulsed mode oxygen plasmas was calculated using the results of single Langmuir probe measurement and retarding field analyzer measurement. To calculate this ratio, the time-resolved measurement of the single Langmuir probe was used to obtain electron densities and the time-resolved measurement of the retarding field analyzer to obtain positive ion densities, respectively. Negative ion density in a period was obtained using charge neutrality assumption at each regular interval. The experimentally determined result of the electronegativity reveals that there are specific discharge conditions at which negative ions dominate during the pulse on-time, whereas it has been considered to be dominated by negative ions during the pulse off-time in most of the similar cases.
The time evolution of ion energy distributions (IEDs) was measured during the afterglow of various gas plasmas. The afterglow regimes (pulse off-time regimes) were prepared by periodic pulsing of the inductively coupled inert gas plasmas at intervals of $\mus$. A time-resolved retarding field analyzer (RFA) method was used to measure the detailed time evolution of the IEDs with a time resolution of less than 1 $\mus$. The results show that the IEDs decay in a unique double peak shape during the afterglow period, which lasts for a few hundred of microseconds. One of the two peaks is present at the plasma potential level which is the same value of the plasma potential of the pulse on-time regimes. The other peak moves continuously along the time-varying plasma potential during the afterglow period. The existence of the high energy peak during the afterglow looks confusing because there is no real potential level which accelerates the ions to that level during the afterglow period. To determine the origin of this double peak decay during the afterglow, we also took a time-resolved single Langmuir probe (SLP) measurement which provides us with basic plasma parameters, such as electron density, electron temperature and plasma potential. We explain that this shape is caused by the exponentially decaying sheath potential during the afterglow period and also by the time-delayed arrival of ions on the wall surface due to relatively long presheath length compared to sheath. The time evolution of the IEDs revealed in the experiment shows the detailed ion loss mechanism across the sheath during the afterglow period.
유도결합플라즈마를 이용하여 공정을 수행하는 주된 방전압력 대역인 1 ~ 30 mTorr 영역에서 펄스방전 시 전자(electron)와 이온(ion)이 어떻게 공간적, 시간적으로 거동하는지를 살펴보았다. 전자에 대한 정보는 전자밀도, 전자온도, 플라즈마 전위 등을 시분할적인(time-resolved) Single Langmuir Probe(SLP) 측정방법을 이용하여 측정하였다. 이온은 양이온(positive ion)의 밀도와 에너지분포를 시분할적인 Retarding Field Analyzer(RFA) 측정방법을 이용하여 측정하였으며, electronegative 플라즈마 생성 조건에서는 음이온(negative ion)에 대한 정보를 SLP와 RFA에서 측정된 정보들을 이용하여 추론하였다.
알곤방전(electropositive plasma)과 산소방전(electronegative plasma)을 이용하여 전자밀도와 전자이온의 변조(modulation) 특성을 차이를 확인하였으며, 이중 산소방전과 같은 electronegative plasma에서, 방전압력에 의존하여 그 전기적인 음성도(electronegativity)가 바뀜으로써 펄스주기에 따라 on-time과 off-time에서의 전자밀도의 변조가 역전되어 일어날 수도 있음을 확인하였다. 이것은 이온화반응에 의한 전자의 생성과 ambipolar diffusion에 의한 전자의 손실 이외에 attachment, detachment 등 별도의 전자에 대한 생성, 소멸 반응을 지닌 방전기체의 특성에 따라 전자밀도의 변조가 영향 받을 수 있음을 의미한다.
전자밀도의 공간적인 분포의 시간적 전개는 알곤 펄스방전의 경우 on-time에서는 증가하고, off-time에서는 감소하는 형태로 일어나고 방전압력, rf power 의 변화와 무관하게 동일한 양상을 보인 반면, 산소 펄스방전의 경우 방전압력과 펄스주기에 민감한 변화를 보였으며, 특히 방전압력이 30 mTorr, 펄스주기가 10 kHz (duty ratio 0.5) 일 때, attachment와 detachment의 참여에 의한 전자의 소멸과 생성이 각각 이온화반응과 ambipolar diffusion에 의한 생성과 소멸에 균형을 이룸으로써 전자밀도의 시간적 변화가 일어나지 않는 영역도 관찰되었다.
산소 펄스방전에서 전기음성도(electronegativity, $\alpha\equiv\frasl{N_}{N_e}$ )의 시간적 전개과정을 살펴보았고, on-time 보다 off-time에서 전기음성도가 높다고 보고된 기존의 연구(방전압력 5 mTorr)보다 방전압력이 더 높은 영역에서는 전기음성도의 값이 off-time 구간에서 보다 on-time 구간에서 더 높은 특성을 보일 수 있음을 확인하였다.
비활성기체(헬륨, 알곤, 제논)와 산소 및 질소 펄스방전에서 sheath 가속되어 접지된 기판이나 wall로 입사하는 이온에너지분포의 변화 과정을 시분할적으로 관찰하였다. off-time 구간이 시작된 직후 시간적으로 급격히(100 $\mus$ 정도의 구간) 변화되는 sheath 전위를 따라 가속된 이온에너지는 낮은 에너지쪽으로 이동한다. 그러나, presheath 구간( ~ 6 cm)을 지나는데 대략 40 $\mus$ 이상의 시간이 걸리는 이유로 presheath에 진입한 시각에 따라 이온이 접지된 기판이나 wall에 도착하는데 시간지연(time delay)이 발생한다. on-time의 마지막 순간에 on-time 때의 플라즈마 전위 수준에서 가속이 시작된 이온들이 시간지연되어 접지된 기판이나 wall에 도착하고, 이때의 밀도가 두드러지게 높기 때문에 off-time의 일정구간(100 $\mus$ 정도의 구간) 내에서 sheath 가속된 이온에너지분포는 double-peak을 형성하게 된다. double-peak이 유지되는 시간은 대략 ambipolar diffusion이 일어나는 time scale과 비슷하다.
산소 및 질소 펄스방전에서는 double-peak이 유지되는 시간이 알곤의 경우 보다 10배 정도 긴 것으로 관찰되었으며, 이는 ambipolar diffusion의 time scale을 결정하는 ambipolar diffusion coefficient 값이 electronegativity가 0.5인 조건에서 10배 정도 작아지는 것 때문으로 설명이 가능하다.
Sheath에서 가속된 이온에너지분포가 double-peak을 형성하는 펄스방전 조건에서 펄스주기와 방전압력 등의 제어에 따라 시간 누적된 이온에너지분포는 매우 다양하게 변화될 수 있음을 보였고, 이는 기존의 sheath 가속기제의 연구에서 밝혀진 이온에너지분포와는 다른 새로운 분포형태임을 확인하였다. 이러한 결과는 펄스방전에 의해 형성된 이온에너지분포가 기판 상에서 가공되는 박막의 식각이나 증착 공정에서 그 품질 개선에 응용될 수 있는 가능성을 보여준다 하겠다.
