2.1. 전기장 불균일도 원인

좌우 축대칭인 평행한 원판전극에 있어 중앙 상단부에 정현파 전압을 인가할 시 Wave는 전도체 표면을 따라 전극 아래 중앙부로 이동한다. 이 현상은 축대칭으로 인해 전극 중앙 하부에서 축방향 전기장은 radial 방향으로 미분 값이 0이 되어야 한다. 따라서 전극 아래 중앙부에서는 시간에 따른 전기장이 가장 크거나 가장 작다.

그림 1은 구동 주파수가 증가함에 따라 사각전극의 중심부에서 이온 플럭스가 가장자리에 비해 상대적으로 높아진 정재파 효과가 발생되는 것을 알 수 있다⁽¹⁾.

또한 그림 2와 같이 RF Power가 낮을 때는 중심부가 가장자리에 비해 이온 플럭스가 높게 나타나고 RF Power가 증가함에 따라 모서리부에서 강하게 나타나는 표피 효과도 발생한다⁽¹⁾.

정재파 효과를 감소하기 위하여 전극을 오목한 구조로 가공하여 유전체로 공간을 채우는 형태의 Gaussian Lens Electrode 방식⁽²⁾, Ladder 모양 전극으로 위상을 제어하는 방식⁽³⁾ 등이 있다.

2.2. 가이드링에 의한 전기장 제어방안

2.2.1 가이드링의 전기장 영향력 분석

사각전극은 원형전극과는 달리 모서리부의 전기적 에너지

제어가 난해하다. 그림 1에서 보는 바와 같이 구동 주파수를 증가하면 정재파 효과에 의해 r방향으로 전압이 낮아지고(전기장 모드), 그림 2에서 보는바와 같이 Power를 증가하면 표피 효과에 의해 r방향으로 전류가 증가하는 현상(자기장 모드)이 나타난다^(4,5). 여기서 Glass의 중심부와 모서리부의 균일한 에너지 분포를 갖기 위한 설계가 필요하다. 가이드링은 Glass의 가이드 역할 및 Masking 기능은 물론 공정 윈도우를 넓게 가져갈 수 있다.

그림 3은 PECVD의 개요도 및 인자를 정의하였다. 상부전극을 Concave 형상의 전극을 도입⁽⁶⁾하여 가이드링의 전기장 영향력을 실험하였다. 가이드링의 재질은 알루미늄에 아노다이징 표면처리를 하였다. 서셉터 가장자리에 단차가공을 하였으며, 그 위에 가이드링을 올려 놓았다. 4가지 인자는 A를 확대한 그림에서 Wall Gap(Ground된 Chamber와 가이드링의 간격), Top Gap(상부전극과 가이드링의 간격), Glass Gap(상부전극과 Glass간의 간격), Side Gap(Glass와 가이드링의 간격)이다. Side Gap의 경우 반응표면실험에서는 5mm로 고정하였으며, 다구찌 실험에서는 매회 Glass의 투입, 불출을 수행하다보면 가이드링의 위치 값이

틀어짐을 감안하여 노이즈인자[3mm, 5mm, 7mm]로 사용하였다.

그림 4은 가이드링이 없는 상태(좌측)와 가이드링이 있는 상태(우측)간의 전기장 분포를 비교하였다. 좌측의 경우는 전기장 분포가 상하로 형성되는데 비해 우측의 경우는 가장자리부가 r방향으로 형성되는 것을 볼 수 있다. 이는 상부전극에서 도체인 알루미늄의 가이드링을 거쳐 챔버 벽면으로 전기장이 형성된다고 볼 수 있다. 이 현상은 Power를 강하게 인가할 시 모서리부에서 전기장이 강하게 나타나는 표피 효과를 감소할 수 있으며, 또한 정재파 효과에 의해 모서리부의 전기장의 분포가 약할 경우 모서리부로 마치 탄성체와 같이 당겨줘서 정재파 현상을 감소시켜 전기장 균일도를 향상시키는 역할을 한다.

그리고 그림 5는 가이드링의 형상 변경을 통하여 다양한 모습의 전기장 제어 방법을 나타내었다. 챔버 벽면 방향으로 돌출한 모습, 가이드링 배면부에 공간을 형성하는 방법, 또는 가이드링 배면부 공간에 유전체를 삽입하는 방법 등 Glass 공간 내에 전기장 분포를 원하는 모습으로 그 형상의 위치 및 크기에 따라 챔버내 균형있는 전기장 분포를 제어할 수 있다.

2.2.2 반응표면실험

실험계획법(Design Of Experiments, DOE)은 반응표면실험(Response Surface Methodology)으로 하였다.

그림 6와 같이 반응표면실험에는 중심합성(Central Composition)법, Box-Behnken법이 있고 중심합성법에는 Cube모형(Central Composite Circumscribed, CCC), Axial모형(Central Composite Inscribed, CCI), 표면 중심 모형(Central Composite Face- Centered, CCF)가 있으며, 본고에서는 축점이 없으며 중심합성법 보다 적은 실험이 가능한 Box-Behnken법으로 반응 표면 실험을 하였다⁽⁷⁾.

가이드링의 전기장 영향력 분석을 위해 3인자 3수준의 실험을 HFSS로 해석을 하였다. 인자는 그림 3에서 나타낸 바와 같이 Wall Gap, Top Gap, Glass Gap이고 Side Gap은 5mm로 고정하였다.

2.2.3 다구찌 실험

다구찌 실험은 로버스트니스(Robustness) 설계기법으로 최소의 단위 제조 비용으로 기술, 제품 또는 공정의 성능이 이의 산포를 일으키는 요인들에 가장 둔감한 상태로 만드는 것으로 즉, 노이즈의 영향이 최소가 되는 상태를 만드는 개념이라고 할 수 있겠다⁽⁸⁾. 본고에서 다구찌 실험을 다루는 이유는 플라즈마 공정에서는 다양한 인자가 공정결과에 영향을 주고 있고, 명확히 그 원인을 찾기에는 많은 실험을 해야 하고 특히 반도체 공정에서는 웨이퍼 크기가 작아 전기장의 변별력이 약해서 판단하기가 쉽지 않다. 따라서 대면적 CCP(Capacitively Coupled Plasma)에서 3가지의 인자에 변동이 잦은 노이즈인자를 추가하여 노이즈인자의 변동에도 불구하고 제어인자의 최적치를 구하여 반응표면실험 결과와 비교해 보고자한다.

2.2.4 실험 결과 고찰

반응표면실험 3인자 3수준 Box-Behnken법으로 진행하였다. 그림 7의 반응표면실험 결과에서 보듯이 상부좌측의 표면도에서는 Wall Gap이 5mm에, Top Gap이 9mm에 가까울수록 Non-uniformity가 개선되는 경향을 보인다. 그리고 상부우측의 표면도는 Top Gap과 Glass Gap이 각각 12mm와 11mm의 중간 값에 가까울수록 개선되는 보습을 보인다. 전기장의 세기는 3인자 각각이 낮을수록 증가되는 경향을 알 수 있다. Glass Gap과 Wall Gap은 전기장의 기울기변화에 민감하다. 따라서 Glass Gap을 고정한 상태에서 Top Gap의 최적화 튜닝이 이루어져야 할 것으로 보인다.

그림 8의 반응표면실험 최적화 결과는 각 인자별로 Wall Gap 5.0mm, Top Gap 10.3mm, Glass Gap 11.1mm의 값으로 Non-uniformity 5.1%의 예측 값을 얻을 수 있었다.

다구찌 실험에서는 제어인자 3인자 3수준으로 하고 노이즈 인자는 그림 3에서 4번의 Side Gap을 3수준으로 진행하였다. Side Gap은 열팽창에 의한 변동성, Glass 투입 불출에 따른 동적 위치 오차 등에 있어 노이즈를 가지고 있다. 그 값을 각각 3mm, 5mm, 7mm 구간의 값을 가질 때 그림 9의 결과를 얻었다.

신호대 잡음비의 주 효과는 기울기로 판단할 수 있다. Glass Gap, Wall Gap의 순으로 결과가 나왔으며, Top Gap의 영향은 적은 것으로 보인다. 그리고 Non-uniformity의 주효과도 동일한 경향을 보이는데 최적화 설계로는 Wall Gap 10mm, Glass Gap 11mm을 주인자로 하고 Top Gap은 9mm로 할 때 5.1%의 예측 값을 얻을 수 있었다.

다시 정리하면 Side Gap을 Noise 인자로 가질 때 Glass Gap의 튜닝은 망소특성을 가지는 11mm로 설정하고 이는 반응표면실험과 유사하며, 다음 순으로 Wall Gap으로 튜닝을 한다. 이 부분은 Top Gap으로 튜닝하는 반응표면실험과 상이한 부분이다. Noise 인자를 반영한 다구찌 실험의 결과를 실무에 적용하는 것이 설비의 신뢰성이 높을 것으로 본다. 마지막 Top Gap의 튜닝으로 최적 값을 얻는다.

그림 10은 원형 전극에서 Ar 플라즈마 해석을 통하여 가이드링이 있는 상태에서 주변 영역의 전자밀도 분포를 확인하였다. Glass와 가이드링의 간격인 Side Gap에서 전기장 및 전자밀도가 가이드링 방향으로 연장되어 높게 나타나는 것을 알 수 있었다. 이는 사각전극에서 취약한 모서리부에서도 증착이 원활히 이루어짐을 예측할 수 있겠다.