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표제지 1

목차 4

국문요지 9

제1장 서론 11

1.1. 연구 배경 및 필요성 11

1.2. 본 논문의 구성 27

제2장 배경 이론 28

2.1. 플라즈마 특성 28

2.1.1. 플라즈마 생성 28

2.1.2. 디바이 차폐 29

2.1.3. 플라즈마 진동수 31

2.1.4. 쉬스 35

2.1.5. 봄 속도 40

2.1.6. 전쉬스 42

2.1.7. 글로벌 모델 45

2.2. 플라즈마 소스 49

2.2.1. DC 플라즈마 49

2.2.2. RF 플라즈마 53

2.2.3. 유도 결합 플라즈마 53

2.2.4. 축전 결합 플라즈마 59

2.3. 플라즈마 진단 63

2.3.1. 단일 랑뮤어 탐침법 64

2.3.2. 부유 고조파 분석법 70

2.3.3. RF 초크 필터 72

2.3.4. 광 방출 분석법 74

제3장 하이브리드 플라즈마 소스의 전기적 특성 및 플라즈마 특성 연구 77

3.1. 하이브리드 플라즈마 소스의 원리 및 등가 회로 77

3.2. 실험 구성 81

3.3. 실험 결과 및 분석 83

3.3.1. 하이브리드 플라즈마 소스의 전기적 특성 83

3.3.2. 하이브리드 플라즈마 소스의 플라즈마 특성 86

제4장 하이브리드 플라즈마 소스를 이용한 플라즈마 공정 평가 96

4.1. 실험 구성 96

4.2. 에싱 공정 평가 98

4.2.1. 실험 결과 및 분석 98

4.3. 이산화탄소 분해 및 일산화탄소 전환 평가 102

4.3.1. 실험 결과 및 분석 102

제5장 결론 107

참고문헌 109

Abstract 124

그림목차 6

그림 1. 에너지에 따른 물질의 변화 11

그림 2. (a) 기체 분자의 무작위 브라운 운동과 (b) 플라즈마 내부에서의 전하의 운동 12

그림 3. 온도 및 전자밀도 수준에 따른 플라즈마 분류 13

그림 4. 플라즈마 산업 응용 분야 14

그림 5. 반도체 소자 제조 공정 15

그림 6. (a)습식 식각과 (b)건식 식각의 특징 16

그림 7. 플라즈마 식각 공정 메커니즘:(a) 물리적 식각, (b) 화학적 식각, (c) 반응성 이온 식각 17

그림 8. 반응성 이온 식각의 효과 18

그림 9. 축전 결합 플라즈마 개략도 19

그림 10. 축전 결합 플라즈마에서 측정한 RF 전력과 압력 조건에 따른 플라즈마 밀도 20

그림 11. 유도 결합 플라즈마 개략도: 평판형 ICP와 원통형 ICP 21

그림 12. 유도 결합 플라즈마에서 측정한 RF 전력과 압력에 따른 플라즈마 21

그림 13. DPD 기술 적용 횟수에 따른 생산 비용 22

그림 14. 콘택트 홀의 크기에 따른 식각 깊이 차이 23

그림 15. DRAM의 수직 단면 SEM 사진 24

그림 16. ICP-RIE 플라즈마 소스 개략도 25

그림 17. 플라즈마 생성 과정 28

그림 18. 디바이 차폐 29

그림 19. 플라즈마 내부 전기장으로 인한 전자 밀도와 이온 밀도 분포 31

그림 20. 플라즈마 진동 34

그림 21. 플라즈마와 쉬스, 쉬스 경계면에서의 전자, 이온 밀도 분포 및 전위 분포 36

그림 22. 플라즈마와 전쉬스, 쉬스에서의 전위, 전자밀도 및 이온 밀도에 대한 공간분포 44

그림 23. 아르곤 플라즈마에서 ngdₑff에 따른 전자온도의 변환[이미지참조] 48

그림 24. 아르곤 (Ar), 산소 (O₂), 질소 (N₂) 플라즈마에서 전자-이온 한 쌍생성에 필요한 환산 충돌 손실 에너지 48

그림 25. DC 방전 장치 개략도와 플라즈마 전위 분포 50

그림 26. α-과정과 γ-과정의 개략도 51

그림 27. 방전 기체 종류와 pd에 따른 방전 개시 전압 52

그림 28. 유도 결합 플라즈마의 개략도 54

그림 29. 유도 결합 플라즈마의 변압기 등가 회로 모델 56

그림 30. 축전 결합 플라즈마 개략도 59

그림 31. 축전 결합 플라즈마에서 자기 바이어스와 전위 분포 60

그림 32. 축전 결합 플라즈마의 등가 회로 모델 62

그림 33. 단일 랑뮤어 탐침 및 구동 회로도 64

그림 34. 플라즈마 전위와 탐침 전위 65

그림 35. 탐침 전압에 따른 전류-전압 특성 곡선 66

그림 36. 랑뮤어 탐침법으로 전자 에너지 확률 함수를 구하는 과정 69

그림 37. 부유 고조파 분석법의 원리 70

그림 38. RF 섭동에 따른 전류-전압 특성 곡선의 왜곡 73

그림 39. 플라즈마에서 원자 여기 및 빛 방출 개략도 76

그림 40. 하이브리드 플라즈마 소스의 등가회로 78

그림 41. 플라즈마가 없을 때, Cᵥ에 따른 각 section에 흐르는 RF 전류 80

그림 42. 하이브리드 플라즈마 소스의 실험 구성도 82

그림 43. 하이브리드 플라즈마 소스 실험 setup 및 측정 장비 사진 82

그림 44. 10, 100 mTorr 압력에서 Cᵥ값과 RF 전력에 따라 측정한 전기적 특성 (ICP 전류, CCP 전류, CCP 전압) 85

그림 45. 10, 100 mTorr 압력에서 Cᵥ값과 RF 전력에 따라 측정한 플라즈마 밀도 88

그림 46. 10, 100 mTorr 압력에서 Cᵥ값과 방전 모드에 따라 측정한 플라즈마 흡수 전력 91

그림 47. 정규화된 측정 전자밀도와 글로벌 모델의 전력 균형 방정식을 이용하여 계산 한 플라즈마 밀도 비교, 방전 조건: 50 W (E mode) (a) 10 mTorr, (b) 100 mTorr,... 92

그림 48. 100 mTorr에서 Cᵥ값과 RF 전력의 조합으로 선형 제어된 플라즈마 밀도 94

그림 49. 100 mTorr에서 Cᵥ값과 RF 전력의 조합으로 선형 제어된 이온 에너지 선속 95

그림 50. 하이브리드 플라즈마 소스의 실험 구성도 97

그림 51. 100 mTorr의 산소플라즈마에서 Cᵥ값에 따라 측정한 (a) 플라즈마 밀도 및 전자 온도와 (b) 0 원자 (844.6 nm) 및 Ar 원자 (750.3 nm)... 100

그림 52. 100 mTorr의 산소플라즈마에서 Cᵥ값에 따라 측정한 (a) Ar 원자 밀도 대비 0 원자 밀도의 생성 비율과 (b) 단위 분... 101

그림 53. 100 mTorr의 이산화탄소 플라즈마에서 Cᵥ값과 질소 혼합 비율에 따라 측정한 (a) 전자 온도와 (b) 플라즈마 밀도 104

그림 54. 100 mTorr의 이산화탄소 플라즈마에서 Cᵥ값과 질소 혼합 비율에 따라 측정한 CO₂⁺ (289 nm), CO (296.65 nm), O₂ (329.58 nm), N₂ (336.95 nm) 원자의 빛 세... 105

그림 55. 100 mTorr의 이산화탄소 플라즈마에서 Cᵥ값과 질소 혼합 비율에 따른 (a) 일산화탄소 전환율과 (b) 이산화탄소 분해율 106

그림 56. 100 mTorr의 이산화탄소 플라즈마에서 플라즈마 소스 타입과 질소 혼합 비율에 따른 (a) 일산화탄소 전환율과 (b) 이산화탄소 분해율 106

초록보기

 본 논문에서는 유도 결합 플라즈마(ICP) 소스와 축전 결합 플라즈마(CCP) 소스를 결합한 ICP-CCP 일체형 하이브리드 플라즈마 소스를 개발하여 다양한 방전 조건에서 전기적 특성 및 플라즈마 특성에 대한 연구를 하였다.

단일 플라즈마 소스인 ICP와 CCP의 장점은 극대화하고, 단점을 보완하기 위해 안테나 코일과 전극을 병렬로 연결하여 결합하였다. 서로 다른 타입의 플라즈마 소스를 사용하지만 단일 RF 전력 공급기와 임피던스 정합기를 사용 한다. 아울러 안테나 코일과 전극에 흐르는 RF 전류를 정밀 제어하기 위해 안테나 코일에 직렬로 가변 캐패시터를 연결하였다. 개발한 플라즈마 소스의 전기적 특성을 분석하기 위해 전류 프로브와 고전압 프로브를 이용하였으며, 안테나 코일과 가변 캐패시터 사이에 직렬 LC 공진 조건이 되었을 때 (공진 시), 대부분의 RF 전류는 안테나 코일에 흐르게 되며, 전극의 RF 전류와 전압은 최소가 된다. 플라즈마 특성을 분석하기 위해 부유 고조파 분석법을 이용하여 전자 온도와 플라즈마 밀도, 이온 선속을 측정하였으며, 광 방출 분광법을 이용하여 플라즈마에서 방출되는 빛의 스펙트럼을 측정하였다. 플라즈마 밀도는 방전 모드에 따라 다른 특성이 관찰되었다. 플라즈마가 축전 결합 모드(E-mode)로 구동될 때, 플라즈마 밀도는 직렬 LC 공진 조건에서 최소가 되며 전극 전류에 의해 제어되었다. 반면, 유도 결합 모드(H-mode)로 구동될 때는 직렬 LC 공진 조건에서 플라즈마 밀도는 최대가 되며 안테나 전류에 의해 제어되었다. 이 현상은 표피 길이와 E-H 모드 전이 현상과의 관계와 글로벌 모델의 전력 균형 방정식을 통해 해석하였다. 개발한 하이브리드 플라즈마 소스는 고정 RF 전력과 압력 조건에서 각 소스에 흐르는 RF 전류를 수 mA 단위로 조정이 가능하여 플라즈마 밀도를 정밀하게 제어할 수 있다. 아울러 높은 압력에서 가변 캐패시터와 RF 전력을 다양하게 조합하여 저밀도 영역부터 고밀도 영역까지 플라즈마 밀도를 선형적으로 제어할 수 있으며, 이온 에너지 선속 역시 넓은 에너지 영역대를 선형 제어가 가능하다. 개발한 플라즈마 소스를 이용하여 애싱 공정과 이산화탄소 분해 및 일산화탄소 전환 연구를 진행하였다. 산소 플라즈마의 고정된 방전 조건에서 산소 원자 생성 비율이 제어되는 것을 실험적으로 확인하였으며, 포토레지스트의 두께를 nm 단위로 정밀 식각 제어가 가능함을 보여주었다. 이산화탄소/질소 혼합 플라즈마에서 질소 혼합 비율이 증가할수록 이산화탄소 분해율과 일산화탄소 전환율이 증가하는 것을 실험적으로 확인하였으며 최대 이산화탄소 분해율은 80%, 최대 일산화탄소 전환율은 97%를 얻었다.

본 연구를 통해 개발한 하이브리드 플라즈마 소스는 저밀도부터 고밀도까지 넓은 영역의 플라즈마 밀도를 필요로 하고 선형 정밀 제어를 요구하는 반도체 및 디스플레이 제조 공정에 적용될 수 있으며 지구 온난화 문제를 해결하기 위한 온실가스 분해 처리 공정 등에 활용되기를 기대한다.

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