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Characterization of a Remote Inductively Coupled Plasma System

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한국표면공학회지 J. Kor. Inst. Surf. Eng.

Vol. 41, No. 4, 2008.

<연구논문>

원격 유도결합 플라즈마 시스템의 특성 해석

김영욱, 양원균, 주정훈*

군산대학교 신소재·나노화학공학부 신소재공학전공

Characterization of a Remote Inductively Coupled Plasma System

Yeonguk Kim, Wonkyun Yang, Junghoon Joo*

Department of Materials Science and Engineering and Plasma Materials Research Center, Kunsan National University, Kunsan 573-701, Korea

(Received July 9, 2008 ; revised August 27, 2008 ; accepted August 28, 2008)

Abstract

We have developed a numerical model for a remote ICP(inductively coupled plasma) system in 2D and 3D with gas distribution configurations and confirmed it by plasma diagnostics. The ICP source has a Cu tube antenna wound along a quartz tube driven by a variable frequency rf power source (1.9~3.2 MHz) for fast tuning without resort to motor driven variable capacitors. We investigated what conditions should be met to make the plasma remotely localized within the quartz tube region without charged particles' diffusing down to a substrate which is 300 mm below the source, using the numerical model. OES(optical emission spectroscopy), Langmuir probe measurements, and thermocouple measurement were used to verify it. To main- tain ion current density at the substrate less than 0.1 mA/cm

2

, two requirements were found to be necessary;

higher gas pressure than 100 mTorr and smaller rf power than 1 kW for Ar.

Keywords: Numerical modeling, Inductively coupled plasma, CFD-ACE

1. 서 론

반도체 웨이퍼의 대구경화 LCD, PDP 패널의

대형화에 따라 증착 또는 식각되는 박막의 균일도 관심사가 되고 있으며 균일도를 향상시키기 위하여 반응기의 샤워헤드와 기판의 거리를 조절하 거나, 기판을 회전시키는 방법과 유량이나 반응기

내부 압력, 온도 등의 공정 조건을 변화시켜 최적

화를 시도하고 있다1-3). 특히 8세대, 10세대 급의

LCD, 태양전지용 기판등의 4 m2넘는 대면적

/식각 균일도 향상을 위해서는 정확한 수치 모델

개발이 도움이 것이다.

공정 균일도에 영향을 미치는 요인들은 반응 가스의 공급 균일도, 열화학 반응의 경우 기판 균일도, 플라즈마 균일도, 가스 주입구와 배기구

사이의 기하적 관계, 반응 부산물의 표면 신속

성능 상당히많다. 모든 것을 실험으로

적화 하려면 최적 실험 계획법을 사용하더라고 시간과 비용이 소요된다. 수치 모델의 경우에는

2차원 구조(축대칭 3차원 포함) 유도 결합 플라즈

마의 경우 대개 시간 내의 연산 시간을 필요로 하므로 간단한 가스 주입/배기 구조의 검증이나

반응의 검증에 유용하다. 그러나 현재 장비

사들의 공정 경쟁 기준이 균일도 10%에서 5%, 3%

지속적으로 높아짐에 따라서 수치 모델에 요구 하는 수준도 완벽한 3차원 모델이 아니고서는 실질

적인 도움을 없는 단계에 이르고 있다. 현재

개인용 컴퓨터의 연산 속도가 빨라졌고 병렬 산이 가능하지만 플라즈마가 고려된 알고리즘의

병렬 효율이 40% 정도로 낮은 문제가 있다.

라서 유용한 결과를 일정한 시간 내에 얻기 위해서 최적 계산 전략이 필요하다. 미터 급의 챔버에

1 mm 내외의 가스 노즐을 사용하는 것이 보통인데

수치 모델에서 이를 계산하기 위해서는 전체적인

*Corresponding author. E-mail : [email protected]

(2)

그리드의 크기를 작게 하여야 하므로 연산 시간이 오래 걸리며 확대 계수를 크게 하는 경우에는 수렴 성에 문제를 유발한다. 플라즈마가 포함된 계산의 경우 특히 정규화가 잘된 그리드 구조가 필수적인 이와 같은 작은 노즐이 포함된 반응기의 계산은

3D CCP 계산을 어렵게 하는 요인이다. 보편적

으로 많이 사용하는 1/4인치-3/8인치 직경튜브에서

1 mm 내외의 노즐로 가스가 공급될 전체 노즐

면적의 합보다 공급 가스 배관의 단면적의 합이 충분히 커서 완충 역할을 하도록 설계하는 것이 통이지만 이것은 반응기내의 배기구와의 상대적인 위치까지 고려해서 계산되어야 하는 양이다. 또한 반응기내의 전자 온도, 밀도 분포가 균일하지 않은 경우, 어느 위치에 어떤 종류의 가스를 주입하는가

하는 것이 전체적인 반응에 얼마나 영향을 미치는 가를 해석하는 것이 필요하다. 연구에서는

분을 집중적으로 모델링하였다. 반응기에서 가스

입구의 배열 구조에 따른 영향을 CFD-ACE이용

하여 3차원 모델링 하고 실험으로 확인하였다.

응기 내에서의 가스 흐름 분포, 하나의 배관에서 12개로 나뉘어 지는 가스 노즐에서의 개별 유량 그에 따른 반응기내의 압력 균일도, 압력

절을 위한 펌프 스로틀 밸브의 열림각 변화에 의한 기판 위치에서의 압력 균일도 영향을 조사하였다.

실험적 비교를 위하여 원격 유도 결합 플라즈마원 설치하고 위에 언급한 가스 분배 구조에서 플라 즈마 특성을 OES, Langmuir probe, voltage and current waveform 측정하였다.

2. 실험방법

2.1 플라즈마 반응기에 대한 2차원, 3차원 모델링

3차원모델링에 사용된 반응기는 직경 200 mm

높이 200 mm원통형 반응기다. 유체의 흐름은

상상태로 가정하며 기체의 팽창은 이상 기체 방정 식으로 나타내었다. 유동만 계산할 때에는 300 K

실온으로 가정하였고 플라즈마 계산 시에는 전자에 의한 탄성 충돌, 이온의 운동에너지, 이온-중성화에

따른 내부 에너지 방출을 고려하여 열전달 계산을 별도로 시도하고실제 열전대를이용하여온도를 , 비교하였다. 실험용 플라즈마원으로는 Advanced Energy사의 Litmas RPS(remote plasma source)

사용하였다. 모델은 주파수 1.9-3.2 MHz, 최대

출력 1.5 kW이며 석영관으로 만든 반응기 둘레에

수냉식 구리관을 안테나로 이용하고 있다. OES

정은 Ocean Optics사의 SQ-2000 CCD miniature spectrometer, Langmuir probe 측정은 Hiden Analytical

Ltd. ESP 사용하였다. 그리고 직경 100 mm

기판에 오실로스코프의 전압 프로브(입력 임피던스

10 MOhm) 연결하여 전압 파형을 측정하였다.

플라즈마의 계산은 유도 결합 플라즈마의 특성을 이용하면 간략화 있다. 일반적으로는 전자

도에 대해서 drift diffusion 식을 이용하고 전자

도는 에너지 평형식에서 구하게 되는데 유도 결합 플라즈마의 경우 더욱 간략화해서 준중성 조건을 적용하여 전기장에 대한 포아슨 방정식을 풀지 (4) 양극성 확산 방정식을 이용하였다.

면에서의 전자 온도에 대한 경계 조건은 thermal

flux balance, dTe/dn, Te 설정값을 주는 방법의 가지를 고려할 있다. 연구에 사용한 수치 델은 유한 체적법을 사용하는데 체적의 중심값에서

경계 조건을적용한다. 그러나 실제로 크기가 1 mm

수준인수치 해석용 크기의분해능에서 Langmuir

probe 등을 이용해서 직접 플라즈마 특성을 측정하

기는 어렵다. 따라서 경계 조건의 적용에 정확한

험값을 구하기 어려운 문제가 있으며 표준적인 조건에서 가장 측정치와 근사한 계산 결과를 조건을 사용하였다. 3차원 모델의 경우 격자의 개수는 50만개 정도였으며 연산 시간은 PC(Intel Core2Due E6400)에서 16시간 소요되었다. 유도

결합 플라즈마 발생용 안테나는 특별히 고안된 라멘트 모델(일종의 중첩 격자 근사법) 사용하여

간략화 시켰으며 안테나의 양단에 일정한 전압을 인가하고 그에 따른 전류를 계산한 다음 여기에서 고주파 자기장을 계산하면유도전기장이 도출된다.

(1) (2)

(3)

(4)

ne : electron density (#/cm3)

Te : electron temperature (eV)

S : electron source term (#/cm3·sec) : electron flux (#/cm2·sec)

μe : electron mobility (cm2/V·sec)

De : electron diffusivity (cm2/sec) : electric field vector (V/m)

∂ne

--- ∇ Γ∂t + e = S Γe = μeneψDene 32

--- ∂

∂t---- n( eTe) ∇ 5

2---TeΓe 5

2---neDeTe

+

je E ne NiKi

i

n

=

E Dene μene ---

Teln n( )e

= =

Γe

E

(3)

je : electron current density (mA/cm2)

Ni : mole fraction of i-th reaction

Ki : reaction constant for i-th reaction.

2.2 가스 분배 구조 효과 모델링

수치모사의 대상이 되는 반응기의 모형을 1 나타내었다. 가스의 입구는 상부의 ICP

분과 챔버 상단부의 직경 75 mm 원형 가스링에

2 mm 구멍이 12 만들어져 있다. 때의 분사

량을 직접 챔버와 ICP 포함하여 계산하지 않고

끝이 막혀 있는 상태의 가스링이 챔버에 연결되어 있는 단순화된 구조를 만들어서 계산한 노즐의 유량을 구하여 플라즈마 계산에 이용하였다. 계산

사용된 가스의 종류는 공기와 아르곤을 사용하 였고, reference pressure 1.33 Pa 10 mTorr, inlet flow normal velocity 30 m/s, 기판과 반응

기입구 기체 온도와 벽면의 온도는 300 K 가정

하였다. 기준조건에서 기판과 가스링의 거리를 130 mm 하고 top inlet만을 사용한 경우, side

inlet만을 사용한 경우, 동시에 사용한 경우,

top inlet tube 가정하여 동일한 inlet 구멍에서 비율에 따른 반응기의 압력분포에 대한 수치모 사를 하여 기판 근처에서 압력 균일도를 비교하였 . 이에 대한 실험값의 비교를 위해서 반응기 2

소에 Baratron 게이지를 설치하였으며 butterfly

브의 열림각에 의한 주변 유동장의 변화, 기판

변에서의 압력 변화를 계산하여 비교하였다. 또한

상부의 ICP 부분으로 반응성 가스인 산소를 유입

시키고 챔버 상단의 가스링으로는 SiH4 나누어

주입하는 경우의 혼합 효과를 직경 100 mm 기판

대해서 계산하였다.

2.3 Remote plasma source 동작 조건에 따른

플라즈마 변수 측정

기판 상부 300 mm 위치한 유도 결합 플라

즈마원을 Ar, O2, H2O에서 동작시키고 2(ICP coil

하단 부에서 100 mm, 300 mm 떨어진 )에서

Langmuir probe OES 측정을 하였다. 실험에 사용한 AE-RPS(remote plasma source) 임피던스

정합을 위하여 주파수를 가변 시키는 방식이므로 고주파 노이즈를 완전히 없애기 힘든 단점이 있다.

주파수 변화 범위는 1.9-3.2 MHz이므로 고조파까

고려한 높은 Q 갖는 대역통과 필터를 설계하 어렵다. 실험에서는 전압-전류 곡선을 통하

플라즈마의 특성이 제대로 관찰되는 영역인지 판단하는 근거로 사용하였다. OES OceanOptics

사의 SQ-2000사용하였다. 1200 groove/mm

자를 사용하며 분해능은 0.5 nm이며 자외선

가시광선영역을 모두 측정하기위하여 1200 groove/

mm 격자를 사용하는보드 3개와 영역을 1 nm

해상도로 관찰 가능한 1개의 저해상도 보드로

구성되어 있다.

3. 결과 및 고찰

3.1 끝이 막힌 튜브형 가스 공급관의 유동 특성

그림 2 4개의 가스 공급 노즐을 갖는 끝이

튜브에 대한 유동 특성계산 결과를 나타내었다.

계산은 12개의 노즐을 갖는 원형 가스링에

계산의 타당성을 검증하기 위하여 수행한 것이 그림에 보인 바와 같이 튜브의 크기의 3

정도의 부피를 갖는챔버에 대해서 계산을 결과,

주입구에서 일정한 간격을 두고 배치된 노즐의 유량을 계산하였다. 주입구에서 가장 노즐의

유량을 기준으로 , 주입구에서 가까운 순서로

×1.5, ×1.21, ×1.04배였다. 이를 12개의 노즐을

갖는 가스링에 대해 적용하여 계산하면 가장 유량을 기준으로 했을 ×3.86, ×3.57, ×3.29,

×3.00, ×2.86, ×2.57, ×2.29, ×2.00, ×1.86,

×1.57, ×1.29.배이다. 따라서 배기 펌프가

면에 있는 경우 가장 유량이 높은 노즐의 위치를 펌프에서 곳에 설치하는 것이 균일도에 유리할 것이라는 추론을 가능하게 한다.

Fig. 1. Schematic diagram of the simulated remote

plasma system.

(4)

3.2 드로틀 밸브 열림각에 따른 유효 배기 속도의

변화 측정

드로틀 밸브의 열림각에 따른 유동장 계산 결과 에서 45o 열었을 때의 속도 균일도를 그림 3

나타내었다. 직경 100 mm 기판의 펌프 영역

속도장이 다른 곳보다 높음을 있으며 브와 챔버가 근접하는 영역에서는 빠른 유동 속도

보이고 있다. ICP 영역의 상부 가스도입구에서

속도를 300 m/s 했을 기판 주위에서는

20 m/s 정도의 유동 속도를 갖는 것으로 계산

되었다. 열림각을 0o, 90o 했을 때에도 균일도는 크게 변화하지 않았다. 계산 모델에서는 실제와

닫혀 있을 때에도 챔버 벽과의 사이에 공간이 있어서 가스의 유동이 이루어지도록 하였다. 그림

4 나타낸 압력 불균일도 계산 결과를 보면 밸브

닫고 밸브와 챔버 벽면 사이의 공간으로 가스가

이동하도록 하였을 다른 가지 경우에 비해서 나쁜 압력 균일도를 보였다.

3.3 ICP 상부와 챔버 상부를 통한 분리 가스 도입

시의 혼합 효과

그림 5 ICP 통한 산소의 공급과 챔버 벽면

상부에 설치한 가스링을 통한 전구체 가스인 SiH4

혼합이 기판 주변에서 어떻게 이루어지는지 하였다. 산소 50 sccm SiH4 5 sccm혼합

였을 때의 계산 결과를 보면 ICP원과 확장 커넥터 부분, 챔버와 연결되는 부분에서 속도의 증가가

찰된다. 압력은 거의 직선적으로 ICP영역에서 챔버

영역으로 감소하고 있다. 계산 결과에서는 ICP

스도입구 부분의 압력은 최대 102 mTorr까지 증가

하는 것으로 나타나고 있다. 정확히 기판에서의

Fig. 2. Calculated outlet flow rate for a closed end tube with four side holes.

Fig. 3. Velocity field non-uniformity when a throttle valve is open at 45 degree.

Fig. 4. Calculated pressure non-uniformity with various throttle valve opening angles.

Fig. 5. Calculated flow properties with two gas inlets.

(5)

가스의 혼합비를 알아보기 위하여 그림 6 산소와 SiH4 농도를 표시하였다. 약간 중심에서 벗어난

형태의 농도 분포를 보이고 있는데 이는 SiH4 입이 12개의 노즐을 갖는 가스링을 통하여 이루어

지고 끝이 막힌 형태의 가스링이므로 각각의 노즐

상기한 바와 같이 최대 3.86 많은 유량을

급하고 있기 때문이다. 따라서 플라즈마에 의한

향보다 중성 입자의 공급에 의한 영향을 많이

받는 공정의경우 (대개의 CCP 형식의 PECVD)

불균일도를 좌우하는 요인이 있다. 3.3 여러 가지 가스 도입 조건에 따른 압력 균일도

계산

측면과 상부 도입을 모두 사용한 경우 기판과

워헤드의 거리를 130 mm 하고 상부 도입구만

용한 경우, 측면 도입구만 사용한 경우, 동시

사용한 경우, 상부 도입구를 튜브로 가정하여 일한 가스 노즐에서의 비율에 따른 반응기의 압력 분포에 대한 수치모사를 하였다. 결과 기본

압력 1.33 Pa, 200 mm×200 m 반응기안에

204 sccm 유량을 흘렸을 경우, 샤워헤드방식

입구의 flux density 거의 상관없이 압력 분포가

기판으로부터 z방향으로 50 mm 정도 위에서

균일하다는 것을 있다. 또한 챔버상부

스링 노즐의 유량 비율을 변화시킨 결과 Top_inlet

1~12 계산 값이 Top_inlet 6~5 계산 값보다

체적으로 균일한 것을 있었다. 이는 inlet

건을 30 m/s에서 8 m/s까지 2 m/s 단위로 12개의 hole 입사속도를 주었으며, 가스주입구의 총면적

계산하면 입력 유량이 많은 것으로 계산이 되는 것과 가스 주입구에서 펌프 배기구에 이르 경로 차이로 인해 부분적 압력상승이 있을 것으 생각된다. 이는 챔버의 종횡비(높이/직경)

아질수록 두드러질 것이다. 따라서 측면 배기 구조

하에서 가장 균일한 가스 압력 분포를 얻기 위해서 배기구에서 쪽에서 가스 분배를 시작하고 우의 대칭을이룰 있도록 노즐을 Y 형태로

배열하는 전략이 유효하다는 결론을 얻을 었다.

3.4 원격 플라즈마 동작 특성 - 전압, 전류 온도

측정

유도 결합 플라즈마의 동작 조건은 Ar 압력(챔버

벽면에설치된 Baratron 게이지로 측정) 10 mTorr

에서 500 mTorr, 투입전력 300 W-1.5 kW 설정했

. 동작 주파수는 투입 전력과 가스 압력에 따라 최적 정합 조건을 유지하도록 설정되어 있다4).

그림 7 같이 투입 전력 증가에 따라 플라즈마의

임피던스가 감소함에 따라서 동작 주파수가 증가함 관찰되었다. 때의 코일 전류는 5~13 A이다.

소스 영역으로부터 확산에 의한 플라즈마 영역의 확장 시에 발생할 있는 전자 밀도 감소 요인은 공간 재결합과 벽면 재결합이다. 20 mTorr 낮은

압력의 경우에는 공간 재결합을 위한 충돌 확률이 낮으므로 주로 벽면 재결합이 원인으로 예상되는데

Fig. 6. Calculated reactive gas concentration profile at a wafer level.

Fig. 7. RF frequency and coil current versus rf power.

(6)

연구에 사용한 재질은 스테인레스강이므로 알곤

이온의 표면 재결합 확률은 100% 가정하여 계산

하였다. 전자 온도의 확인을 위하여 기판 상부에서

Langmuir probe 이용한 전자 온도, 밀도 측정을

하였다.

그림 7 보면 400 W 부근에서 E-H mode

transition 있는 것으로 판단된다. 이를 확인하기

위하여 ICP 안테나 전류를 측정해보면 400 W에서

6 A에서 11 A 급격히 증가하는 것을 있다.

플라즈마의 영역 확장이 연구에서가장 관심 분야이다. , 기판에 입사하는 이온과 전자 전류의

크기를 반응성 가스의 라디칼 플럭스와 비교하여 원격 플라즈마의 요구 조건을 판단할 있다.

량화된 비교를 위하여 Jradical/Jion 원격 플라즈마

덱스로 정의하였다. , N2 경우 JN/(JN2+ + JN+)

값이 된다. Ar 경우에는 비활성 원자여서

디칼이 없으므로 JAr/JAr+ 가지고 비교하기로 한다.

기판까지의 거리 300 mm기판의 직경 100 mm

만드는입체각은 0.087 srad이다. Ar 30 mTorr, 1 kW

방전 조건에서 기판 상부 20m m에서 측정한

Langmuir probe data 보면 중심에서 전자

3.25 eV, 전자 밀도 1.96×1010#/cm3이다.

이온 전류 밀도는 5.79 mA/cm2이다. 그런데

입자의 플럭스를 구하는 데에는 약간의 가정이 필요하다. , 플라즈마에 의한 중성 입자의 속도

증가를 고려하지 않으면 300 K에서의 값을 이용하

Jn=1/4·n·V 계산할 있다. 그러나 중성 입자

온도가 플라즈마에 의해서 800 K까지도 증가하

계산 결과와 열전대를 이용하여 측정한 데이터 이용하여 유추하면 2 정도 높은 중성 플럭스 가정하는 것이 실제와 맞을 것이다. 따라

원격 플라즈마 인덱스가 300 K 가정하는

우보다 증가하는 요인이 된다. 문제는 공정의 성격

따라서 이온의 에너지가 일정값 이상 되는 경우 만이 영향을 준다는 점을 어떻게 원격 플라즈마 덱스에 고려할 것인지 하는 것이다. 이온의 영향을

가장 많이 받는 표면 반응 과정은 해리와 탈착인데

유기 금속 전구체를 사용하는 PEALD 경우에는

전구체의 결합 종류가 금속-수소, 산소, 탄소 이므 이들의 결합 에너지와 전자 이온의 입사 너지가 적절한 영역을 유지해서 유리된 탄소가 막에 잔류하지 않도록 하는 것이 중요하다. 그러나

탈착을 유도할 있는 에너지는 필요하다.

에너지가 열에너지가 수도 있지만 유기 금속 전구체의 해리를 촉발해서 박막 형성에 부정적인 영향을 수도 있다5-8).

동작 주파수를 2 MHz 가정하고 Ar 10 mTorr

대해서 계산한 전자 온도와 전자 밀도의 분포를 8 나타내었다. 전자 밀도는 로그로 표시하였

으며 기판 주변에서도 2×1010 #/cm3 정도의 값을

나타내고 있다. , 플라즈마가 기판 영역까지 확산

하여 원거리 플라즈마라고 하기 어려운 상태임을 보여 주고 있다. 그러나 전자 온도는 매우 낮아서

Fig. 8. Calculated electron density profile for ICP driven by 2 MHz for Ar at 10 mTorr.

Fig. 9. Particle traces and the electron density profile at

the substrate.

참조

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