Capacitively coupled radio-frequency discharge has been widely used as one of the plasma processing sources, because the geometry of capacitive coupled plasma (CCP) is very simple and easily discharged. Especially, etching and deposition are accounted for the largest part of plasma processing and improving the efficiency of processing is considered to be an important subject. Furthermore, plasma interaction with material is an important effect of plasma processing, because various materials are used in plasma processing, and materials of chamber wall and wafer surface can influence plasma.
Changing the material of electrodes can affect the plasma characteristics of capacitively coupled discharge. The etch rate and deposition rate are closely related to the ion and radical flux density of the plasma. If the electrode material is different at the capacitively coupled discharge, it can affect the ion and the radical flux density because the interactions with the plasma depend on the kind of materials. [4] In order to improve the etching rate, selectivity, and deposition quality, it is important to know the effect of the electrode material on the plasma and how to control the process.
The experiment was produced in a parallel-plate capacitively coupled plasma chamber in the shape of cylinder. We used three electrode materials for experiments such as aluminum, aluminum oxide ($Al_2O_3$), and stainless-steel. The use of different electrode materials allowed to vary the influence of secondary electrons. The measurements of electron density and electron temperature are indicated with varying pressure, voltage, and power. The effect of γ electron of the plasma discharge and the mode transition of the plasma are investigated.
축전 결합 방전은 플라즈마 공정 중에서 에칭과 증착 공정 등에 많이 사용된다. 이때 공정의 효율성과 속도를 높이기 위해서는 플라즈마의 변수들의 변화를 아는 것은 중요하다. 특히 플라즈마 공정 시 기판의 표면을 덮는 물질이나 챔버 벽의 물질이 다양하게 사용되기 때문에 플라즈마 내에서 물질에 따른 효과 또한 중요한 변수가 된다. 그래서 본 논문에서는 축전 결합 플라즈마의 전극의 물질을 변화 시켰을 때 플라즈마 변수에 미치는 영향을 알아보았다.
전극은 stainless steel, aluminum, 그리고 $Al_2O_3$를 사용하였고, stainless steel과 aluminum의 multi-hole전극도 부가적으로 사용하였다. 전극에 걸리는 DC 전압과 RF 전압은 1000:1 probe에 연결된oscilloscope를 이용하여 측정하였고, 전압과 전류의 root mean square값과 전극에 인가되는 power는 VI probe를 이용하여 측정하였다. 그리고 랑뮤어 탐침을 이용하여 전극의 중앙에서의 electron energy distribution function (EEDF)를 측정하여 전자와 이온의 밀도, 플라즈마의 전압 등의 플라즈마 변수를 얻었다. 세 전극의 γ값은 stainless steel > aluminum > $Al_2O_3$의 크기로 나타나고 γ값은 전극에 입사하는 이온의 수와 방출되는 이차전자수의 비를 의미한다. 이때 $Al_2O_3$ 전극은 산화물로 γ의 크기가 금속인 stainless steel과 aluminum보다 매우 크게 나타난다. γ 의 크기는 플라즈마에서의 전자 밀도와 온도에 뚜렷한 영향을 나타나게 된다. γ 값이 큰 전극일수록 충돌하는 이온 하나당 방출되는 이차전자의 수가 많아지기 때문에 플라즈마의 밀도가 높고, 온도는 낮아지게 된다.
전극에 걸리는 DC 전압을 증가시키면서 세가지 전극의 전자 밀도를 비교하였을 때 전압이 높아질수록 전자밀도는 증가하고 전극의 차이 또한 뚜렷하게 나타나게 된다. 전압이 높아지면 플라즈마 내의 이온이 보게 되는 전압 차가 증가하여 이온은 더 큰 에너지를 받아 가속하게 된다. 그래서 전극에 충돌하는 이온의 수가 증가하게 되고 플라즈마의 밀도가 증가한다. 플라즈마의 밀도가 증가하며 플라즈마 내의 입자수가 많기 때문에 입자들끼리의 충돌도 증가하게 된다. 충돌하면서 방출되는 전자의 수가 증가할수록 더 많은 충돌이 일어나게 되고 밀도는 급격하게 증가하게 된다. 이때 플라즈마 내에 이차전자의 수가 대부분을 차지하여 방전을 유지하는 상태를 γ mode라고 할 수 있다. γ mode로 전환되면서 플라즈마의 밀도는 급격하게 증가하고 전자의 온도는 감소하게 된다. 전극에 따라서 γ mode로 전환되는 전압이 다르게 나타나는데, γ 값이 큰 전극이 더 낮은 전압에서 γ mode로 전환하는 것을 알 수 있었다. 그리고 기체의 압력에 따라 세가지 전극으로 방전을 하였을 때, 낮은 압력에서는 세 전극의 차이가 명확히 나타나지 않았다. 압력이 높아 질수록 전자의 밀도는 γ의 크기에 따라 뚜렷한 차이를 보였다. 압력이 높으면 플라즈마 내에 이온과 중성자들의 수가 많아 mean free path가 짧아져 충돌수가 증가하게 된다. 그리고 충돌로 인해 이차 전자가 방출되고 이 이차전자들이 다른 이온과 충돌하면서 연쇄반응을 일으켜 이차전자의 수는 급격히 증가하게 된다. 그렇기 때문에 높은 압력에서는 γ값에 따라 밀도와 온도의 차이가 뚜렷하게 나타나게 된다. RF 전압을 증가시키면서 전자의 밀도를 비교하였을 때는 유전물질인 $Al_2O_3$전극이 높은 밀도를 나타내지 못한다. 이것은 유전물질인 $Al_2O_3$에는 같은 RF 전압에서 DC 전압이 금속보다 낮게 걸리기 때문이다. 그리고 플라즈마 내의 이온은 전자보다 질량이 매우 크기 때문에 RF 전압은 보지 못하고 RF전압의 평균값이 DC 전압에만 영향을 받기 때문에 γ의 크기에 의한 밀도차이는 같은 DC 전압에서만 성립하게 된다.
여러 개의 홀이 일정한 간격으로 있는 전극에서도 두 가지 물질에 대하여 실험하였다. 전극에 홀이 있으면 전극의 면적이 넓어지게 되고, 쉬스가 생성되는 면적 또한 증가하게 된다. 그리고 홀 효과로 쉬스가 홀의 면적보다 작을 때 전자가 홀 안에서 가속하면서 진동하며 갇히게 된다. 이때 전자가 진동하면서 쉬스 안에서 머무는 시간이 길어져 전자의 충돌이 증가하게 되고 플라즈마의 밀도가 증가하게 된다. 홀의 길이와 면적을 고정시킨 후 전극의 재질, 즉 γ값을 변화시켰을 때 플라즈마의 밀도는 평면 전극과 마찬가지로 γ값에 따라 변하게 된다. 홀이 있는 전극에 높은 γ값의 물질을 사용하였을 때 전자의 밀도는 $10^{12}cm^{-3}$까지 증가함을 알 수 있었다.
