Since it was shown that the plasma processing throughput is proportional to the electron density, the development of an ultra-high-density plasma source has become a common goal related to plasma source technology and a number of studies have been performed to develop new high-density plasma sources such as electron cyclotron resonance plasma, inductively coupled plasma (ICP) and helicon plasma. Together with the development of high density plasma, recently, the development of large-area plasma source has become a hot issue in the plasma processing technology, as there is a continuous demand for large-area plasma processing such as semiconductor (>450mm), flat-panel display (>2mx2m), and photovoltaic cell (>1mx1m) processes. This trend in the area of large-area processes has motivated numerous studies for the development of a uniform large-area plasma source with high density.
In this thesis, choosing ICP and helicon as a high density plasma source, parallelizability is investigated on the basis of measurements of the external and internal parameters for a single and multiple ICP and helicon sources. For comparative studies of those sources, the experimental conditions are same except the magnetic field. Through a computer simulation, the design of single helicon was optimized and the helicon and ICP was launched successfully. Secondly, the pressure effect was investigated. As the pressure increases, the electron-neutral collision frequency is reduced, thus the gyration motion of electrons by magnetic field is hindered and the characteristics are very similar to the ICP. Thirdly, the impedance varied depending on the position of the end plate. The power distribution is adjustable by changing it. Fourthly, the electron temperature was controllable by the gas mixture with helicon plasma like ICP. Fifthly, the electrical measurement showed that the impedance of the helicon discharge is higher than that of ICP discharge and decreases slowly with density.
Since the magnetic field strength, the position of magnet and tube dimension was determined based on the single helicon experiment, the several multiple helicon experiments were done. The mode transition, the optimum pressure for the maximum plasma density, uniformity and the effect of tube material was investigated with 4-tube multiple helicon at 450mm wafer cylindrical chamber. Additionally, 4-tube in-line source in a rectangular chamber was done for roll-to-roll plasma process. The uniformity is increased after the mode transition from ICP to helicon.
Finally, 16-tube multiple ignition experiment for fractal structure was investigated with helicon and ICP. For parallel connection, RF plasma needs the careful sonsideration for the power distribution even for the same voltage. Using the computer simulation, the optimum antenna design was found and the experiment was followed. Despite of the ten times higher density of helicon than ICP, only 4 tubes of 16-tube multiple helicon was launched and they were unstable during operation while all the 16 tubes of ICP were launched stably. While the equal power distribution was possible through the consideration of RF transmission line for ICP, the additional consideration of magnetic field was needed with multiple helicon. Although the size of magnet should be larger than ICP, helicon has advantages which are 10 times higher density and possible ignition at very lower pressure than ICP. Based on the results, the multiple ICP and helicon sources are estimated to be readily applicable sources in the field immediately.
플라즈마 공정에서의 생산률이 플라즈마의 밀도에 비례한다는 많은 연구가 이루어진 후, 초대면적 고밀도 플라즈마 소스의 개발은 플라즈마 소스 개발에서 중요한 부분을 차지하기 시작하였다. 이로 인해, 전자 공명 플라즈마, 유도 결합 플라즈마와 헬리콘 플라즈마 등 새로운 고밀도 플라즈마 개발 연구가 활발히 진행되고 있다. 최근에는 고밀도 플라즈마 개발과 더불어, 대면적 플라즈마 소스의 개발이 플라즈마 공정 기술의 중요한 이슈가 되고 있는데, 이는 450mm이상의 반도체, 2mx2m 이상의 8세대 평판 디스플레이와 1mx1m 태양광 전지 생산 공정에서 플라즈마의 기술이 요구되고 있기 때문이다. 대면적 공정영역의 이러한 경향은 균일한 대면적 고밀도 플라즈마 개발을 촉진시켜왔다.
이 학위 논문에서는, 밀도가 낮은 축전 결합 플라즈마(CCP)를 제외하고, 대면적 공정에 적합한 고밀도 플라즈마원으로 유도결합 플라즈마(ICP)와 헬리콘 플라즈마를 선택한 후, 병렬 연결 시의 특성을 알기 위하여 ICP와 헬리콘의 단일 튜브와 다수 튜브의 플라즈마 내부, 외부 변수를 측정하여 조사하였다. 두 가지 플라즈마 소스의 비교 실험을 위하여, 자기장을 제외한 모든 조건을 동등하게 한 후 실험을 하였다.
우선 Helic code를 이용하여 헬리콘 모드로의 방전을 위한 단일 헬리콘 튜브를 제작하고 ICP와 헬리콘으로 방전을 성공하였다. 둘째로 압력의 영향을 보면, 헬리콘은 어느 압력 이상에서는 전자와 중성자의 충돌 주기가 짧아져, 자기장에 의한 전자의 선회 운동이 효과적으로 이루어지지 않아 방전이 ICP와 비슷한 특성을 가지는 것을 확인하였다. 셋째로, 종판의 위치에 따라, 임피던스의 값이 변하는 것을 확인하였다. 이는 여러 개의 튜브를 병렬 연결 시, 임피던스로 각 튜브에 흐르는 전류를 조절할 수 있는 하나의 방법이 된다. 넷째로, 두 가지 가스를 섞어 전자온도를 조절하는 방법을 헬리콘에서도 가능함을 실험을 통해 확인하였다. 다섯째로, 헬리콘 방전의 임피던스가 ICP보다 크며 플라즈마의 밀도에 따라 서서히 감소하는 것을 확인하였다. 반면, ICP의 경우, 플라즈마의 밀도에 따라 빠르게 감소한다.
단일 헬리콘 실험을 바탕으로, 대면적 실험에 가장 적합한 자기장의 세기, 자석의 위치 및 튜브의 치수를 정한 후 여러 가지 대면적 다수 헬리콘 방전을 시도하였다. 450mm 웨이퍼용 원형 챔버에서는 4개의 튜브 헬리콘 방전을 하여, 모드 변화, 최대 밀도를 가지는 최적 압력, 밀도의 균일도 및 방전 튜브의 재질의 차이 등을 확인하였다. 그 다음으로는, roll-to-roll 공정과 유사한 4개의 튜브를 일렬로 연결한 후 헬리콘 방전을 하였다. ICP 모드에서 헬리콘 모드로 변화 후, 밀도의 균일도가 향상되는 것을 확인하였다.
마지막으로 fractal 구조를 위한 16개 다수 방전을 ICP와 헬리콘을 비교하였다. 병렬 연결 시, RF 플라즈마에서는 같은 전압을 가져도, 안테나 디자인을 고려하지 않으면 모든 튜브의 방전이 이루어 지지 않았다. 이를 컴퓨터 모의 전사를 통해 확인하고, 가장 최적화된 안테나를 설계하여 실험을 하였다. ICP에서는 모든 튜브가 방전에 성공한 반면, 헬리콘 플라즈마는 ICP에 10배에 달하는 높은 밀도를 냈으나, 오직 4개 튜브만이 켜지고 안정적으로 방전이 이루어 지지 않았다. ICP의 경우, RF 전송선의 디자인을 통해 파워의 균등 분배가 가능하지만, 헬리콘의 경우 자기장을 추가해서 고려해야 되는 것을 확인하였다. 모든 튜브에 비슷한 자기장을 형성하기 위해서는 자석의 크기가 커지는 문제점이 있으나, 매우 낮은 압력에서 방전이 가능하고, 같은 압력에서 ICP에 비해 10배 이상 달하는 장점이 있다. 실험 결과를 바탕으로, ICP와 헬리콘 플라즈마의 다수 방전에 대한 분류를 하였고, 바로 현장에 투입이 가능한 소스로 판단된다.