Arc is defined as a discharge of electricity, between electrodes in a gas or vapor, that has a voltage drop at the cathode of the order of the minimum ionizing or minimum exciting potential of the gas or vapor and is characterized as the high current and high heat through the arc path. However, the unintended arcing-occurrence during the plasma processings as an etching, ashing and deposition can be fatal to the wafer, glass, and processing hardware. This study is motivated for the suppression and prevention of unintended arcing.
The generation of the arcing is enhanced by increased level of plasma potential, which is induced by a DC-grounded coil between DC-blocking capacitor and the powered electrode. We measure statistically the variation of floating potential and the arcing current which flow through the ground metal rod inserted into the plasma. When the arcing is ignited, the floating potential abruptly fall to nearly zero voltage and is maintained at the potential for the micro second time scale. At the arcing stop point, the floating potential slowly increase to the steady-state potential of the arcing before. The arcing current is inversely proportional to floating potential. At the arcing start point, the arcing current is increased to about a few amperes and maintained during the same time of the nearly zero floating potential. To understand the behavior of the arcing current and voltage, we develop the simple arcing model, which describe that the arcing in capacitively-coupled plasma (CCP) is electrical breakdown between the sheath edge and the ground electrode.
To understand the behavior of electrons generated by arcing, the optical spectrum are accumulated by external trigger per arcing event, and then it is possible to measure the averaged spectrum of arcings at some time. The average spectrum measured over time show the time evolution of the light intensity (at 750.4 nm wavelength). The intensity is the strongest at the arcing start point and gradually falls as the floating potential decreases. From the measurement, it is believed that the electron group formed from the arc spot acquire the kinetic energy across the sheath and that these energetic electrons effectively ionize or excite the neutrals of plasma.
The arcing ignition in CCP is strongly dependent on the surface condition of the electrode or chamber wall. Micro-arc ignition is investigated on the oily surface condition. The images of micro-arcs are captured with very short exposure time of 20 us using intensified charge-coupled device triggered by a high speed comparator and the focused ground electrode is partially soiled with oil. The micro-arcs are observed only on the oily surface of the electrode. This observation provides that the oily surface of CCP is very weak for micro-arc ignition and micro-arc ignition is supposed to be enhanced by the oil evaporation and the thin oil layer, considering the RF Paschen breakdown of the oil vapor within the sheath and the dielectric breakdown of thin oil layer.
Using the multihole electrode in CCP, the transition of hole discharges to hollow cathode arc is observed. Multi-holed electrodes have been used to reduce the processing time by increasing the electron density. However, in specific discharge conditions, the light intensity inside some of the holes is much stronger than that from the others and the RF power concentration to some holes is presented for this reason. As a result, the hollow cathode arc in some holes is observed. In order to alleviate this arc, ceramic caps are inserted in the holes of the electrode as a capacitor and these caps could alleviate the power concentration effect by limiting the increase of the discharge current to the plasma inside the specific hole.
The arc detector is developed from the research results that the plasma external parameters as the discharge voltage and current are abruptly decreased when the arcing occurs. The detector is tested at real processing reactor and accumulate the information for the arcing of the process. From the information, the arc threshold can be deducted and then the arc-free region is decided. This enables the plasma reactor to operate in arc-free region.
아크는 가스나 증기의 최소 이온화 또는 여기 에너지 정도의 양극 포텐셜을 가지는 전기 방전으로 정의 되고 아크 경로를 따른 고전류와 고열로 특징 지어진다. 그렇지만 아킹과 애씽 그리고 증착과 같은 플라즈마 공정 중 의도되지 않은 아킹의 발생은 웨이퍼,유리 그리고 공정 하드웨어에 치명적일 수 있다. 이 연구는 의도되지 않은 아킹의 억제 및 예방에 대해 동기 부여 된다.
아킹 발생은 증가된 플라즈마 전위에 의해 향상 되고 플라즈마 전위는 DC 블로킹 축전기와 파워 전극 사이에 높인 DC 접지된 코일에 의해 증가 된다. 아킹이 점화 되었을 때, 부유 전위는 거의 0 V 까지 급격히 떨어지고 그 전위에서 수 마이크로 초 시간 정도 동안 유지 된다. 아킹이 중단되는 지점에서 부유 전위는 서서히 아킹 발생 전의 정상 상태로 복귀한다. 아킹 전류와 전압의 행동을 이해하기 위해, 우리는 간단한 아킹 모델을 개발했고, 그 모델은 축전 결합 플라즈마에서의 아킹은 쉬스 가장자리와 접지 전극사이에서의 전기적 파괴이라는 것을 묘사한다.
아킹에 의해 발생된 전자들의 거동을 이해하기 위해 광학 빛띠가 아킹 건당 외부 트리거에 의해 중첩 되고 어떤 시간에서 아킹의 평균된 빛띠를 측정하는 것이 가능하다. 시간에 따라 측정된 평균 빛띠가 750.4 nm에서의 빛세기의 시간 진화를 보여준다. 세기는 아킹 시작 지점에서 가장 강하고 부유 전위가 감소하면서 세기도 점차적으로 감소한다. 아크점으로부터 생성된 전자 집단이 쉬스를 따라 운동 에너지를 얻고 이 활동적인 전자들이 효과적으로 플라즈마의 중성원자들을 이온화하고 여기시킬것이라고 믿어진다.
CCP에서의 아킹 점화는 전극과 챔버벽의 표면조건에 강하게 의존한다. 미세 아크 점화가 기름진 표면 조건에서 조사된다. 미세 아크들의 화상들이 빠른 비교기에 의해 트리거된 ICCD에 의해 20 us 동안 노출 촬영 되고 촛점된 전극은 부분적으로 기름으로 더렵혀진다. 미세 아크들은 오직 기름진 부분에서만 관찰된다. 이 관측은 CCP의 기름진 표면이 미세 아크 점화에 매우 약하다는 것을 제공하고 미세 아크 점화는 기름 증발과 얇은 기름층의 파괴에 의해 향상된다고 가정되고, 쉬스사이에서의 기름 증기의 RF 파쉔 파괴와 얇은 기름층의 유전체 파괴를 고려할수 있다.
CCP에서 다중홀 전극을 사용하면서, 홀 방전들이 빈양극아크(Hollow cathode arc)로의 전이가 관찰된다. 다중홀 전극이 사용되어서 전자 밀도를 증가시키는 것에 의해 공정 시간을 감소시킨다. 그렇지만 특정 조건에서 홀 방전들 중의 하나가 다른 홀 방전들보다 빛의 세기가 훨씬 강하고 RF 파워가 이 홀 방전으로 집중되기 때문이라고 해석된다. 결과적으로 홀들중에 빈양극아크가 관측된다. 이 아크를 감소시키기 위해 세라믹 뚜껑들이 전극의 홀들로 축전기로서 넣어지고 이 뚜껑들이 특정홀 안의 플라즈마로의 방전 전류의 증가를 제한하는 것에 의해 파워 집중 현상을 감소시킨다.
아크 검출기가 아킹이 일어났을때 방전 전압과 전류같은 플라즈마 외부인자들이 급격히 감쇠된다는 연구결과로부터 개발된다. 검출기가 실제 공정 챔버에서 테스트되고 공정의 아킹 정보를 누적한다. 그 정보로부터 아크 임계가 유추되고 아크 안전 영역이 결정된다. 이것이 플라즈마 반응기가 아크 안전 영역에서 작동하게 해준다.
