유도 결합 플라즈마에서 가상 접지의 위치 제어와 자기 공명 방식 무선 전력 전송을 이용한 플라즈마 밀도 분포 제어 연구 :A study on plasma density profile control using virtual ground position and magnetic resonance wireless power transfer in inductively coupled plasma

김태우

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김태우 (한양대학교, 한양대학교 대학원)

지도교수: 정진욱

발행연도: 2022

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2022

유도 결합 플라즈마에서 가상 접지의 위치 제어와 자기 공명 방식 무선 전력 전송을 이용한 플라즈마 밀도 분포 제어 연구

김태우 전기공 2022.01 학위논문

2019

유도 결합 플라즈마에서 안테나의 가상 접지가 전자 밀도 분포에 미치는 영향

김태우 , 정진욱 한국진공학회 학술발표회초록집 2019.08 학술대회자료

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본 논문에서는 유도 결합 플라즈마에서 전자 및 이온의 밀도 분포를 제어하는 새로운 방법들을 제안하였다.
첫 번째로 ICP 안테나의 종단에 직렬 가변 커패시터를 설치하고 그로 인해 생성 되는 가상 접지를 이용 하여 플라즈마 밀도 분포를 제어하는 연구를 수행하였다. 가상 접지는 접지가 되어 있지 않지만 전위가 0인 지점이다. 그러므로 가상 접지 근처에서는 국부적으로 축전 전기장의 세기가 매우 약하며, 안테나와 플라즈마 사이의 축전 결합이 매우 약하다. 축전 결합으로 방전이 유지되는 E-mode에서는 가상 접지 근처의 플라즈마 밀도가 최소가 되었으며, 유도 결합으로 방전이 유지되는 H-mode에서는 가상 접지 근처의 플라즈마 밀도가 최대가 되었다. 가상 접지의 위치는 가변 커패시터의 용량에 따라 변한다. 커패시턴스가 작을 때는 가상 접지가 안테나의 입력단 근처에 위치하며, 커패시턴스가 증가하면 가상 접지가 안테나의 종단 쪽으로 이동하게 된다. 이를 이용하여 가상 접지의 위치를 제어하고 국부적인 축전 결합을 변화시켜 전자 및 이온의 밀도 분포를 제어하였다. 전자 에너지 분포 함수와 이차원 이온 밀도 측정 결과는 E-mode 및 H-mode에 존재하는 플라즈마 밀도의 최소 및 최대 점이 가상 접지의 위치와 동일하며, 가상 접지 위치 변화를 따라 함께 이동함을 확인하였다. 본 연구는 ICP 안테나에 직렬 커패시터의 추가하는 간단한 방법으로 플라즈마 밀도 분포의 제어가 가능함을 보여주었다.
두 번째 연구에서는 유도 결합 플라즈마에 자기공명방식 무선전력전송 기술을 적용시켜 플라즈마 밀도 분포를 제어하는 연구를 수행하였다. 먼저 전력을 인가하는 송신 코일을 챔버에 설치하고, 송신 코일 밑에 구리 관과 가변 커패시터로 만들어진 수동 공진 코일을 설치하였다. 한 주파수에서 공진하는 두 물체는 에너지 교환이 활발하게 이루어지며, 공진 하지 않는 물체 사이의 에너지 교환은 상대적으로 작다. 비 공진에서는 거의 모든 전력이 전력 송신 코일에 인가되며 수동 공진 코일에는 거의 전류가 흐르지 않는다. 이 때의 플라즈마 밀도는 송신 코일이 설치되어있는 챔버의 중앙에서 최대이며 가장 자리로 갈수록 감소하는 볼록한 분포를 보였다. 반면에, 공진 조건에서는 거의 모든 전력이 수동 공진 코일에 전달되었으며, 이 때의 플라즈마 밀도 분포는 공진 코일 근처가 매우 높은 치우쳐진 볼록한 분포를 보였다. 측정된 플라즈마 변수들은 비 공진시에는 전자의 가열이 송신 코일 근처에서 최대가 되며, 공진시에는 전자의 가열 영역이 수동 공진 코일 근처로 이동함을 보였다. 실험 결과 수동 공진 코일의 추가로 원하는 위치에 전력을 전송시키고, 유연한 플라즈마 밀도 분포 제어가 가능함을 확인하였다.
본 연구는 활발히 연구되고 있는 반도체 및 디스플레이 공정용 ICP 장비에서 전자 및 이온 밀도의 분포를 제어하는 연구로써, 간단한 회로의 추가로 손쉽게 공정에 적용 될 수 있다. 이 두 가지의 플라즈마 밀도 분포 제어 방법이 향후 더욱 대면적화 될 반도체 및 디스플레이 공정에서 균일한 공정 결과를 얻는데 활용되기를 기대한다.

In this paper, we propose methods for controlling electron and ion density profiles in inductively coupled plasmas. At first, the effects of capacitive coupling on electron and ion density profiles are studied in an argon inductively coupled plasma. A virtual ground is a point that is not grounded but has zero potential. Therefore, at the vicinity of the virtual ground, the strength of the local capacitive electric field is very weak, and the capacitive coupling between the antenna and the plasma is also very weak. In the E-mode in which the discharge is maintained by capacitive coupling, the plasma density near the virtual ground is minimized, and in the H-mode in which the discharge was maintained by inductive coupling, the plasma density near the virtual ground is maximized. The virtual ground position changes with the capacitance of the variable capacitor. When the capacitance is small, the virtual ground is located near the input of the antenna. When the capacitance increases, the virtual ground moves toward the end of the antenna. Using this method, the position of the virtual ground was controlled and the density profiles of electron and ion were controlled by changing the local capacitive coupling. The measurement results of the electron energy distribution function and the two-dimensional ion density show that the minimum and maximum points of plasma density coincide with the virtual ground position, and they move together. This study show that the plasma density distribution can be controlled by a simple method of adding a series capacitor to the ICP antenna. As a second study, electron and ion density profile was controlled by applying magnetic resonance wireless power transfer technology to inductively coupled plasma. A transmitting coil was installed on the reactor, and a passive resonant coil made of a copper tube and variable capacitor was installed under the transmitting coil. Two resonant objects of the same resonant frequency can exchange energy efficiently, while relatively little energy is dissipated in non-resonant objects. At non-resonance, almost all applied power is applied to the power transmitting coil, and almost no current flows in the passive resonant coil. In this condition, the plasma density is maximum at the center of the reactor where the transmitting coil is installed. At resonance, almost of all applied power is transmitted to the passive resonant coil, and the plasma density distribution showed a convex distribution biased toward the resonant coil. The measured plasma parameters showed that the heating of electrons was maximized near the transmitting coil at non-resonance, and the heating region of electron moves near the passive resonant coil at resonance. Experimental results showed that it is possible to transmit power to a desired location by adding a passive resonant coil and to control the plasma density profile flexibly. This studies propose methods to control the profile of electron and ion density in ICP for semiconductor and display fabrication, and can be easily applied to the process by adding a simple circuit. It is expected that these two plasma density profile control methods will be utilized to obtain uniform process results in plasma processes that will be enlarged in the future.

#전기공학

제 1장 서론 1
1.1 연구 배경 및 중요성 1
1.2 본 연구의 학문적 기여 13
1.3 본 논문의 주제와 구성 14
제 2장 배경 이론 15
2.1 플라즈마의 기본 특성 15
2.1.1 플라즈마의 생성 15
2.1.2 디바이(Debye) 차폐 16
2.1.3 플라즈마 진동수(Plasma frequency) 18
2.1.4 쉬스(Sheath) 21
2.1.5 봄 속도(Bohm velocity) 27
2.1.6 전 쉬스(Presheath) 29
2.1.7 플라즈마 유전율과 전도도 32
2.1.8 플라즈마 등가 회로 36
2.2 플라즈마 소스 38
2.2.1 DC 플라즈마 38
2.2.2 RF 플라즈마 41
2.2.3 축전 결합 플라즈마(CCP) 42
2.2.4 유도 결합 플라즈마(ICP) 43
2.3 플라즈마 진단 48
2.3.1 단일 탐침을 이용한 전자 에너지 확률 함수 측정법 49
2.3.2 부유 고조화파 분석법 52
제 3장 ICP에서 가상 접지의 위치 제어를 통한 플라즈마 밀도 분포 제어 55
3.1 가상 접지 생성 원리 55
3.2 실험 구성 56
3.3 실험 결과 및 분석 58
제 4장 ICP에서 자기공명방식 무선전력전송을 이용한 플라즈마 밀도 분포 제어 78
4.1 실험 구성 78
4.2 실험 결과 및 분석 81
제 5장 결 론 98
참고문헌 102
Abstract 115

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