In this dissertation, studies on characteristics of high density Argon plasma by using laser induced fluorescence (LIF) and scattering are addressed. By using laser scattering, anomalous temporal evolution of pressure in inductively coupled plasmas is shown. By using laser-induced fluorescence, characteristics of argon metastable neutral density with electron density and pressure are discussed and the method is applied to Helicon plasmas where very high electron density at low pressure and significant neutral depletion exists. Rayleigh scattering and Thomson scattering for measuring neutrals and electrons are applied. Specifically we describe the results in the dissertation as follows:
The temporal measurement of gas pressure in inductive coupled plasma revealed that there is an interesting anomalous evolution of gas pressure in the early stage of plasma ignition and extinction: a sudden gas pressure change and its relaxation of which time scales are about a few seconds and a few tens of second, respectively, were observed after plasma ignition and extinction. This phenomenon can be understood as a combined result between the neutral heating effect induced by plasma and the pressure relaxation effect for new gas temperature. The temporal measurement of gas temperature by laser Rayleigh scattering and the time dependent calculations for the neutral heating and pressure relaxation are in good agreement with our experimental results. This result and physics behind are expected to provide a new operational perspective of the recent plasma processes of which time is very short, such as a plasma enhanced atomic layer deposition/etching, a soft etch for disposal of residual by-products on wafer, and light oxidation process in semiconductor manufacturing.
The measurement of argon metastable state density in inductively coupled plasma by using laser induced fluorescence revealed that there are both normal and abnormal evolution of metastable state density with electron density (fixed range) depending on the measurement position: at the position far from the antenna, normal evolution of metastable state density is shown whereas abnormal evolution is shown at the position near the antenna. This phenomenon can be understood as an effect of electron temperature on electron collisional population and depopulation rate at the position.
The calculated result of the simple global model for argon metastable state density with electron density, including the measured electron temperature, is in good agreement with our experimental result.
The pressure effect on argon metastable density in Inductively Coupled Plasma (ICP) by using the laser-induced fluorescence method is also studied. The result shows that the metastable state density changes with the gas pressure differently depending on the measurement position: the metastable state density increases with the pressure at the position near the ICP antenna, whereas it decreases with the pressure at the position far from the antenna. This opposite evolution trend of the metastable density with pressure can be understood by considering the dependence of ground state density and electron temperature on electron collisional population rate. The theoretical interpretation and calculation using global model are also addressed in detail.
The characteristics of argon metastable state atoms in high density plasma in different mode of helicon and ICP is studied. By a measurement of a spatial distribution of argon metastable ($1s_5$ in Pachen notation) neutral density using laser induced fluorescence, a different trend of radial distribution of metastable neutral density is observed between helicon and ICP. The result of Helicon is due to significant neutral depletion in the bulk and diffusive loss near wall. The rigorous analysis with a zero dimensional global model is addressed.
Electron energy probability functions (EEPFs) in ICP and helicon discharge using laser Thomson scattering (LTS) is measured. The detail process, method, and a measured spectrum in a LTS experiment are described. A problematic effect in the measurement of Helicon plasma, the measured signal intensity in the ICCD camera is influenced by the magnetic field of helicon discharge and measurement time, was carefully addressed through this dissertation. To solve this problem, we proposed a data processing method of LTS named as normalization method in this paper with the justification of application to our helicon discharge. The measured EEPFs showed clear Maxwellian distributions at various conditions in ICP and Helicon in elastic collision range.
반도체 및 디스플레이 산업에서 sub-micrometer 보다 작은 수준의 스케일 요구함에 따라 더 향상된 플라즈마 성능을 요구하게 된다. 따라서 이러한 요구를 충족하기 위해서 정확한 플라즈마의 변수 측정을 통해 플라즈마를 제어하는 노력이 계속 되어왔다. 그리고 최근은 soft etch 등과 같이 15초 이내의 매우 짧은 공정을 하게 됨에 따라 짧은 시간동안의 플라즈마 변수의 변화에 많은 관심을 갖게 되었다. 특히, 가스 압력의 변화가 이 짧은 시간동안 어떻게 변화하느냐가 중요한 관심사의 하나로 여겨진다.
또한, 다양한 플라즈마 공정에서 입자들의 반응은 많은 공정 결과에 영향을 미치게 되며 반응을 물리적으로 정확히 이해함에 따라 더 좋은 결과물을 얻을 수 있다.
본 연구에서의 결과를 요약하면 다음과 같다.
유도결합 플라즈마에서 가스 압력이 시간적으로 비정상적인 거동을 보였다. 즉, 플라즈마가 켜질때와 꺼질때 가스 압력의 갑작스러운 변화가 관측 되었다. 플라즈마가 켜질땐, 가스 압력이 갑작스럽게 증가하였다가 이완 되었고 플라즈마가 꺼질때는 가스압력이 갑작스럽게 감소 하였다가 다시 이완 되는 현상을 관찰 하였다. 이는 중성종의 가열로 인한 가스 압력의 증가와 가스 이완 효과로 설명 된다. 레일레이 산란 실험 결과, 가스 압력의 시간적 변화의 측정 결과, 그리고 중성종 가열과 가스 이완의 관계식을 통한 이론적 계산이 잘 일치함을 보였다. 이 결과는 짧은 시간에 이루어 지는 플라즈마 공정에서 새로운 조절 노브로 작용할 것으로 기대한다.
고밀도 아르곤 플라즈마에서 레이저 유도 형광을 이용해 아르곤 준안정 중성종의 특성에 관한 연구를 하였다. 먼저 유도결합 플라즈마에서 전자 밀도에 따라 정상, 비정상 적인 거동을 보였다. 유도결합 안테나에서 먼곳은 전자밀도가 증가함에 따라 준안정 중성종이 정상적인 거동, 즉 증가하는 거동을 보이는 반면 안테나 근처에서는 전자 밀도가 증가함에 따라 준안정 중성종이 비정상 적인 거동, 즉 초기에 급격히 증가하다가 감소하는 거동을 보였다. 이 현상은 각 위치에서의 전자 온도가 전자 충돌에 의한 population과 depopulation에 미치는 효과로 해석 될 수 있다.
유도 결합 플라즈마에서 압력에 따른 준안정 중성종의 특성에 관한 연구를 하였다. 안테나에서 먼곳은 압력에 따라 준안정 중성종이 감소하는 결과를 보이는 반면 안테나에서 가까운 곳은 압력에 따라 준안정 중성종이 증가하는 결과를 나타냈다. 이 현상은 준안정 중성종의 압력과 온도의 의존성에 의해 설명이 가능하다. 즉, 낮은 전자 온도 영역에서는 온도의 경향성이 준안정 중성종의 거동에 큰 영향을 미치고, 높은 전자 온도 영역에서는 압력의 증가에 따라 준안정 중성종 역시 증가한다. 이론적 계산과 비교해도 정성적으로 잘 일치하는 경향을 보인다.
헬리콘 플라즈마에서 준안정 중성종의 공간적 분포를 레이저 유도 형광을 이용해 측정 하고 유도결합 플라즈마와 비교 하였다. 그 결과 두 플라즈마 모드 에서 다른 공간적 분포를 측정 하였다. 유도결합 플라즈마의 공간 분포는 잘 알려진 결과들과 일치 하였고 헬리콘 플라즈마에서는 높은 중성종 결핍과 챔버 벽 근처에서의 중성종 확산으로 인한 결과가 반영된 결과가 측정 되었다. 중성종 결핍, 위치에 따른 중성종 확산을 고려한 글로벌 모델 계산결과와 비교 하였고 정성적으로 잘 일치하는 결과를 보였다.
또한, 고밀도 플라즈마에서 정확한 전자 밀도의 측정을 위해 톰슨 산란을 이용했다. 유도결합 플라즈마에서 설비를 완료 한 후 높은 자기장, 높은 전자 밀도의 헬리콘 플라즈마에서 톰슨 산란을 이용해서 전자 밀도의 분포를 측정 하였고 10 mTorr 에서 $1.6\times10^{12} cm^{-3}$ 의 전자 밀도가 측정 되었다. 전자 밀도의 보정은 질소 라만 산란을 이용하였고 레일레이 블럭을 이용해 정밀한 전자 밀도 보정을 시도 하였다.
본 박사학위 연구를 통해 얻어진 결과는 산업에서의 플라즈마 공정뿐만 아니라 다양한 플라즈마의 특성 분석을 위한 연구에 이용될 것으로 기대 한다.
