A Non-invasive RF Sensor for Plasma Sheath Monitoring: Exercise in 300 mm Transformer Coupled Plasma?Reactive Ion Etching System = 300 mm TCP-RIE 시스템에서의 플라즈마 쉬스 모니터링용 비침습적 RF 센서 적용 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study presents the application of a non-invasive plasma sheath monitoring sensor (PSMS) for tracking plasma characteristics and sheath dynamics in a 300 mm transformer coupled plasma-reactive ion etching (TCP-RIE) system. The amplitude measured by PSMS at 13.56 MHz exhibits strong correlations with the amount of source power and bias power in TCP-RIE system, highlighting its sensitivity to bias-driven plasma dynamics. Cross-validation with voltage/current (VI) probe measurements confirms the potential of PSMS in the monitoring sheath-related current variations. Pressure-dependent experiments reveal a critical transition near 20 mTorr, capturing the shift from collisionless to ohmic heating mechanisms. During E-H transitions, the PSMS amplitude decreases up to 400 W in E-mode and rises in H-mode, reflecting wall-related ion losses. This study presents that the suggested PSMS is versatile tool for non-invasive electrical plasma diagnostics, offering significant potential for optimizing plasma etching processes.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 300 mm 유도 결합 플라즈마-반응성 이온 식각(TCP-RIE) 시스템에서 플라즈마 특성과 쉬스 동역학을 모니터링하기 위한 비침습적 플라즈마 쉬스 모니터링 센서(PSMS)의 적용 가능성을 제시한다. 13.56 MHz에서 측정된 PSMS의 진폭은 소스 전력과 바이어스 전력의 변화와 강한 상관성을 나타내어, 바이어스에 의해 주도되는 플라즈마 동역학에 대한 높은 민감성을 확인하였다. 또한, 전압/전류(VI) 프로브 측정과의 교차 검증을 통해 PSMS가 쉬스 관련 전류 변화를 효과적으로 모니터링할 수 있음을 입증하였다. 압력 변화 실험에서는 약 20 mTorr에서 충돌 없는(collisionless) 가열에서 옴(ohmic) 가열로 전환되는 임계 구간을 포착하였다. E–H 전이 과정에서는 PSMS 진폭이 E-모드에서 약 400 W까지 감소하다가 H-모드로 전환되면서 증가하는 양상을 보였으며, 이는 벽에서의 이온 손실을 반영하는 것이다. 이러한 결과를 통해 제안된 PSMS가 비침습적 전기적 플라즈마 진단을 위한 다목적 도구로 활용될 수 있으며, 플라즈마 식각 공정 최적화에 있어 높은 잠재력을 지니고 있음을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• List of Figures ⅲ
• List of Tables ⅴ
• Abstract ⅵ
• Chapter 1 Introduction 1
• A. Semiconductor Manufacturing 1
• B. Plasma and Sheath 2
• C. Inductively Coupled Plasma and E-H Transition 4
• D. Plasma Diagnostics 6
• E. Purpose of Paper 8
• Chapter 2 Background 10
• A. Principles and data acquisition of PSMS 10
• B. Relationship between sheath dynamics and PSMS detection 13
• Chapter 3 Experiment 16
• A. Experimental Setup 16
• B. Optical Emission Spectroscopy (OES) 19
• C. VI-probe 20
• Chapter 4 Results and Discussion 21
• A. Source Power Test 21
• B. Pressure Test 23
• C. Bias Power Test 25
• D. Power Ratio Test 27
• E. RIE-Mode Test 29
• Chapter 5 Conclusion 31
• References 33
• Korean Abstract 39