1. Actinometry
우리는 OES(Optical Emission Spectroscope)를 통하여 Plasma를 확인한다. 확인하면 어떠한 원자가 얼만큼 들어있는지 알 수 있을 것이다. 그런데 문제는 Plasma에서 나오는 원자의 WaveLength(파장)는 동일하지만 공정 Chamber내에서 일어나는 Plasma가 우리가 모니터링 하는 장비(ex. OES)에 얼마큼 가까이 있느냐에 따라 매번 Intensity(빛의 강도,∝ 원자의 양)가 달라진다. 더 쉽게 말하면 같은 가스양을 사용하는 반도체 공정에서 OES를 Chamber 중심에 놓으면 당연히 Intensity가 클것이고 Chamber 외곽에 두면 약할 것이다. 그렇다면 OES로 보는 가스 데이터는 정량적이라고 할 수 없다. 가스가 대략 어느정도 있따는 정성적일 뿐이다. 그렇다면 가스를 정량적으로 볼려면 어떻게 해야되느냐!? 그 답이 Actinometry(광량측정법)에 있다.
2. 논문 분석
가. 제목
반응성 플라즈마의 광학 방출 분광법 : 방출 강도를 반응성 입자 밀도와 연관시키는 방법
나. 요약(Abstract)
반응성 플라즈마에 적합하게 선택된 희가스(비활성기체, ex.Ar)의 작은 농도를 추가하면 플라즈마 매개 변수에 대한 반응성 입자 밀도의 기능적 의존성을 결정할 수 있다. 이 방법의 단순성을 보여주는 예는 플라즈마 에칭 방전에서 F 원자 방출을 사용하여 제시되며 문헌에서 사용 가능한 데이터와 비교된다.
다. 내용
반응성 플라즈마 식각은 고밀도 집적회로 제작 단계로 빠르게 개발되고 있다. 이러한 플라스마의 반응성과 때때로 일어나는 부식성 때문에 플라즈마와의 물리적 접촉 없이 수행될 수 있는 광학 분광학(optical spectroscopy)은 반응성 플라스마 진단에 매우 인기 있는 도구가 되었다.
이러한 플라즈마로부터의 관심 대상이되는 방출(Emissions of interest)은 플라즈마 종의 전자적으로 들뜬 상태(Excited states)에서 발생하며 방출 강도는 전자적으로 여기 된 종의 밀도에 비례합니다. 광학적으로 방출되는 들뜬 상태로 전자적으로 여기되는 플라즈마 종의 비율은 플라즈마의 전자 에너지 분포 함수(electron energy distribution function ,EEDF)에 의해 결정된다.
*참조(에너지 준위, 들뜬상태): yjh-phys.tistory.com/16
*참조(전자 에너지 분포 함수): pal.snu.ac.kr/index.php?mid=board_qna_new&category=67472&document_srl=76255
*참조(Maxwell 분포): ko.wikipedia.org/wiki/%EB%A7%A5%EC%8A%A4%EC%9B%B0-%EB%B3%BC%EC%B8%A0%EB%A7%8C_%EB%B6%84%ED%8F%AC
다시한번 말하면, 결과적으로 광학 방출의 강도는 관련된 플라즈마 종의 밀도와 전자 에너지 분포 함수에 의해 결정된다.
*참조: 위뜻은, 내 생각으로 풀면 광학방출의 강도 = Function(플라즈마 종의 밀도, 전자 에너지 분포 함수)
플라즈마 파라미터의 대부분의 변화는 플라즈마 종의 밀도와 전자 에너지 분배 기능 모두에 영향을 미치기 때문에, 광학 방출 강도를 플라즈마 종의 밀도를 모니터하는 것으로 쉽게 사용할 수 없다. (즉 역으로 생각하기 어렵다.)
대부분의 경우, 반응성 플라스마로부터의 광 방출은 엔드포인트(End Point Detection이랑 관련됨,EPD) 또는 불순물 검출 목적으로만 특정 라인의 유무에 대해 모니터링되며, 방출 스펙트럼에 포함된 기타 유용한 정보는 활용되지 않는다.
Harshbarger및 동료들은 O2(산소)의 분율이 변화함에 따라 CF4 + O2(사불화탄소 + 산소) 플라즈마에서 실리콘 에치율에 대한 F(불소) 방출 강도와 대략적인 상관관계를 보였다.
*참조(Harshbarger외 3인 논문): www.osapublishing.org/as/abstract.cfm?uri=as-31-3-201
*논문제목: A Study of the Optical Emission from an rf Plasma during Semiconductor Etching (1997년)
이후 Mogab및 동료들은 광학 분광법과 질량 분광법, 적외선 흡수법, 기체 위상 적정법(산화환원 적정이라고 생각하면 됨.)을 결합하여 CF4 + O2 플라즈마에 대한 보다 광범위한 연구를 수행하였다.
*참조(Mogab외 동료들 논문): aip.scitation.org/doi/10.1063/1.325382
*논문제목: Plasma etching of Si and SiO2—The effect of oxygen additions to CF4 plasmas
그들의 결과는 놀랄 것도 없이, Si의 에치 비율이 F 방출 강도에 엄격히 비례하지 않는다는 것을 보여준다.
그들은 방출되는 플라즈마의 F 밀도를 추정하기 위해 가스상 적정 기술을 사용했다.
그리고 O2가 CF4에 추가됨에 따라 7037Å 방출을 담당하는 F Level의 여기 효율이 감소했다는 것을 보여주었다.
*내가 알기로는 O2 + CF4 식각을 진행하면 아래와 같다. 그럼 F의 여기 효율이 감소한것이 가능. 7037Å인건 모르겠음.
*논문한번 보삼.
- 산소의 농도를 증가 시 초기에는 F 농도 증가와 함께 식각속도 증가.
CF3 + F -> CF4 (CF3은 F의 농도를 감소시킴)
CF3 + O -> COF2 + F (O는 F의 농도를 증가시킴.
COF2 -> CO + 2F
- 산소농도가 23% 이상이면 희석으로 F 농도 감소.
- 산소는 실리콘 표면에 흡착하여 F가 실리콘과 반응하는 것을 방해. 산소농도가 12%일 때 에칭 속도 최대.
본 논문에서는 광 방출 데이터(optical-emission data)만을 사용하여 일부 플라즈마 파라미터의 함수로서 반응하는 입자 밀도의 측정 방법에 대해 논한다.
이것은 반응성 플라즈마에 소량의 비활성 가스(Noble Gas)를 의도적으로 첨가하고 비활성 가스 배출과 반응성 입자의 배출량을 동시에 감시함으로써 달성된다.
비활성 가스 밀도가 알려져 있기 때문에, 그 수준 중 어떤 수준의 여기 효율(excitation efficiency)은 단순히 비활성 가스 밀도로 그 수준의 방출(Emission) 강도를 나누는 것으로 결정된다.
※참고자료: Optical emission spectroscopy of reactive plasmas: A method for correlating emission intensities to reactive particle density (논문명)
※참고자료: 나무위키
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