RIE 플라즈마 에칭 시스템에서 DC Self Bias 전압의 중요성 참고

반응성 이온 에칭(RIE) 플라즈마 공정에서 DC self bias 전압은 중요한 제어 변수입니다. 특정 애플리케이션에 따라 프로세스 엔지니어는 원하는 효과를 얻기위해 이 매개변수를  참고하여 조건을 조작할 수 있습니다. 일반적으로 DC self bias가 높을수록 이온 에칭의 속도가 높아집니다.

RF 전기장이 진공 챔버에 가해지면 전자는 전기장에 의해 앞뒤로 움직이면서 RF 주기의 절반마다 교대로 전원이 공급되는 전극에 충돌 하게 됩니다. 일반적으로 매칭 네트워크에서 사용할 수 있는 차단 커패시터는 RF AC 필드에 대한 도체 역할을 하지만 자체 유도 DC 필드에 대한 절연체 역할도 합니다. 전원이 공급된 전극에 전자가 충돌하면 AC 필드 외에도 음의 DC 필드가 형성될 수 있습니다. 이 음전위가 DC self bias 입니다.

아래 그림 1은 챔버 전체의 일반적인 플라즈마 분포와 정상 상태에서의 시간 평균 전위 값을 보여줍니다. 그림에서 영역 A와 B는 플라즈마 벌크와 전극(챔버 벽 – 양극 및 구동 전극 – 음극) 사이에 있는 일반적으로 몇 밀리미터 두께의 층인 " ion sheaths "입니다.

ion sheaths 두께는 플라즈마 밀도 및 공정 작동 압력에 반비례합니다.

그림 1 : 반응성 이온 에칭 공정에서 플라즈마 분포(접지된 챔버) 및 전위(전극)를 보여줍니다.

플라즈마 벌크는 전극보다 더 높은 전위에 있습니다. 이온은 전위차에 반응하여 지속적으로 전극에 충격을 가합니다. 플라즈마에 존재하는 다량의 이온은 RF 장에 신속하게 반응할 수 없지만 DC self bias 는 이온을 전력 공급된 전극 쪽으로 가속시킵니다. 이러한 이온은 DC self bias V dc 와 플라즈마 전위 V pp (DC BIAS = -V dc + V pp ) 의 합과 동일한 평균 에너지(eV)를 획득합니다 [1].

DC Self-Bias 에 영향을 미치는 요인

• 그라운드와 전력 전극의 표면적 사이의 비율
• 자체 바이어스가 반비례하므로, 챔버 압력
• RF 순방향 전력(자기 바이어스는 비례함)
• 가스의 종류

플라즈마 시스템을 설계할 때 일반적으로 챔버의 기계적 설계는 제품 크기 및 수량, 필요한 처리량, 플라즈마 유형 등과 같은 요소에 따라 결정됩니다. 이러한 이유로 일단 설계되면 양극과 음극 사이의 비율은 더 이상 변경할 수 없습니다. 이러한 제한은 플라즈마 시스템 설계의 전반적인 품질에 영향을 미칠 수 있습니다. 왜냐하면 이 요소만이 고효율 시스템과 저효율 시스템 간의 차이를 만들 수 있기 때문입니다.

챔버 압력을 줄임으로써 DC 자체 바이어스 전압을 높일 수 있습니다. 압력에 대한 의존성은 입자가 충돌하기 전에 이동하는 평균 거리를 정의하는 전자의 평균 자유 경로와 관련이 있습니다. 평균 자유 경로가 클수록 DC 자체 바이어스 전압이 높아지며 압력에 대한 반비례는 가스 운동 이론에 의해 정의됩니다[2].

RF 순방향 전력은 DC 자체 바이어스의 비례적인 증가에 기여합니다. 이는 선형 기여로 볼 수 있지만 실제로는 현재 공정 압력에 따라 비례 비율이 달라질 수 있습니다.

마지막으로 공정에 사용되는 가스 유형에 따라 결과도 달라집니다. 아래 그림 2는 가스 종류를 제외한 모든 변수가 유지되는 리액터에서 DC 자체 바이어스가 변화하는 예를 보여줍니다. 낮은 전자 밀도와 높은 전자 온도로 인해 Ar/Cl2 플라즈마 의 자체 바이어스 전압은 순수 Ar 플라즈마에 비해 더 높습니다[3].

그림 2: 동일한 직경의 전극에 대한 순수 Ar 및 Ar/Cl 2  혼합 플라즈마의 압력에 대한 자기 바이어스 의존성 [3]

DC 자체 바이어스는 접지 전극보다 전력 전극에서 이온 충격을 훨씬 더 효과적으로 만드는 반면, 일부 애플리케이션에서는 이온에 민감한 제품의 손상을 방지하기 위해 공격적인 이온 에칭을 피하려고 합니다. 이는 접지 전극을 플라즈마 에칭(PE) 공정을 위한 제품 플랫폼으로 사용하여 수행할 수 있습니다.

플라즈마 에칭은 가벼운 에칭 공정과 크리닝 공정에 널리 사용됩니다 . 제품은 일반적으로 접지되거나 부동 전위 홀더에 놓여 있으며 플라즈마 구름에 완전히 잠겨 있습니다.

특히 화학 플라즈마의 경우, 플라즈마 구름에 존재하는 다량의 라디칼에 노출되면 식각 및/또는 표면 활성화 측면에서 매우 만족스러운 결과를 얻을 수 있습니다.

참고자료:

[1] K. Nojiri, Dry Etching Technology for Semiconductors.

[2] M. J. Kushner, Monte-Carlo simulation of electron properties in rf parallel plate capacitively coupled discharges.

[3] J. Upadhyay, S. Popović, A.-M. Valente-Feliciano, L. Phillips and L. Vušković , Self-bias Dependence on Process Parameters in Asymmetric Cylindrical Coaxial Capacitively Coupled Plasma.

참고사이트

https://www.palomartechnologies.com/blog/the-importance-of-dc-self-bias-voltage-in-plasma-applications

The Importance of DC Self-Bias Voltage in Plasma Applications

 

참고 사이트

https://sshmyb.tistory.com/150

https://blog.naver.com/lee_jinhwan/50177499500

Self bias 형성

https://matrixworld.tistory.com/entry/11-RF-Plasma%EC%97%90-%EB%8C%80%ED%95%98%EC%97%AC

11. RF Plasma에 대하여

[증착공정] 훈련 17 : "전극면적에 따른 자기바이어스 효과, 完"

 

https://sshmyb.tistory.com/147

[증착공정] 훈련 : 16 "전극 면적에 따른 자기바이어스효과, 中"