실란 PCVD 반응기에서 공정 변수 조건에 따른 입자 거동

김 동 주, 김 교 선

강원대학교 공과대학 화학공학과

The Movements of Particles in Silane PCVD Reactor for Various Process Conditions

Dong-Joo Kim, Kyo-Seon Kim

Department of Chemical Engineering, Kangwon National University

Chuncheon, Kangwon-Do, Korea

서론

반도체 공정 중 박막 제조에 쓰이고 있는 플라즈마 공정에서는 submicron에서 micron 크기를 가지는 입자들이 생성되어 플라즈마 반응기를 오염시킨다[1-3].  플라즈마 반응기 내에서 생성된 입자들은 반도체 소자의 생산성 저하 원인의 70% 이상을 차지하고 있는 것으로 알려져 있다.  반도체 산업에서 입자 오염 문제에 대한 중요성 때문에 많은 연구가 수행되어져 왔으며 플라즈마 반응기 내에서 입자 제거를 위해 발표된 여러 연구 논문 중에는 입자 생성을 억제하는 것, 입자 성장을 억제하는 것, 반응기 설계로 입자를 제거하는 것 등이 있다.  플라즈마 반응기 내에서 효과적인 입자 제거를 위해서는 플라즈마 반응기 내에서 반응기 전달 현상 등을 고려하여  입자 특성을 체계적으로 연구할 필요성이 있다.

본 연구에서는 수치 모사를 통해 실란 PCVD 반응기 내에서 입자들의 특성과 전달 현상을 고찰하였다.  수치 모사를 위한 모델식으로써 입자 움직임에 대한 모델식을 고려하였으며 반응기 내 압력과 전체 기체 유량 및 전기장의 세기 등의 공정 변수를 변화시켜가며 입자 특성과 전달현상 등을 고찰하였다.

이론

본 연구에서는 실란 플라즈마 반응기 내에서의 입자 특성과 거동을 수치모사를 통해 고찰하기 위해 일반적으로 전달 현상을 근거로 하고 비교적 계산 시간이 적게 드는 fluid approach 방법을 사용하였다.  입자 거동을 모델화하기 위해 실란 플라즈마 CVD에서 생성되는 입자들의 거동을 관찰할 수 있도록 Watanabe에 의해 제안된 반응기를 사용하였다[4].  반응기 내에 있는 두 전극에는 많은 기공을 뚫어 두 전극간의 유체의 흐름이 plug flow가 되도록 하여 계산 시간을 현저하게 줄였다.

반응기 내 유체의 흐름은 일정하다는 가정 하에 입자 거동에 대한 모델식을 사용하여 비정상 상태에서 입자에 대한 농도(np)를 계산하였으며 사용한 모델식은 다음과 같다.

[eqn: LEFT ( { PARTIAL n_p} over { PARTIAL t } RIGHT ) ~=~ - DEL LEFT ( un_p - D_p DEL n_p - u_p.ext n_p )]                       (1)

식 (1)에서 RHS의 첫 번째 항은 유체 대류의 영향을 나타내며 두 번째 항은 입자 확산의 영향을 나타낸다.  세 번째 항은 외부힘에 의한 영향을 나타내며 외부힘은 ion drag force (I.D.F.)와 electrostatic force (E.F.) 및 gravity force (G.F.) 등의 합으로 [eqn: u_p.ext]로 표현된다.

[eqn: u_p.ext ~=~ { 1} over {f_p} LEFT [ LEFT ( I.D.F. RIGHT ) ~+~ LEFT ( E.F. RIGHT ) ~+~ LEFT ( G.F. RIGHT ) RIGHT ]]             (2)

실란 플라즈마 CVD에서 존재하는 화학종들과 화학반응들 중 본 연구에서는 플라즈마 반응기 내에서 ion drag force에 주로 영향을 미치는 이온들과 이온들 생성과 소멸에 관련된 화학 반응식들만을 고려하였으며[5] 화학종드르이 농도는 정상 상태에서 계산된 값을 활용하였다[6].

입자 거동에 대한 모델식을 [eqn: x]방향으로는 유한차분법을 적용하였고 [eqn: t]에 대하여서는 □method of lines'을 적용하여 3개의 편미분 방정식을 3×P개의 상미분 방정식으로 변환시켰다.  변환된 상미분 방정식들을 DGEAR subroutine을 이용하여 비정상 상태에서 풀었다.

결과 및 고찰

실란 플라즈마 반응기 내에서 공정 변수 변화에 따른 입자들의 특성과 전달 현상에 대한 영향을 살펴보기 위해 전체 기체 유량은 10∼100 cm3/min으로 변화시켰고 압력은 0.1∼0.2 Torr로 변화시켰으며 전기장의 세기는 ±30∼100 V/cm로 변화시켰다.

Fig.1과 2는 입자 크기를 0.1 □로 하였을 때 전체 기체 유량과 반응기 내 압력을 변화시켰을 때의 결과이다.  Fig.1은 0.01 sec.에서 전체 기체 유량을 10 cm3/min, 100 cm3/min으로 하였을 때 유량 변화에 따른 입자들의 농도 분포를 두 전극간의 거리에 따라 나타낸 것이다.  반응기 중앙에서는 두 전극방향으로 작용하는 ion drag force에 의해 반응기 중앙에 있는 입자들이 두 전극 방향으로 이동하게 되므로 두 전극에서의 전기적 반발력과 두 전극 방향으로의 ion drag force가 균형을 이루고 있는 두 sheath boundary 영역에서 대부분의 입자들이 존재하게 되어 입자 농도가 peak를 가지는 것을 보여주고 있다.  두 전극에서의 전기적 반발력에 의해 sheath 영역에 있는 입자들이 반응기 중앙 쪽으로 이동하게 되므로 두 sheath 영역에서의 입자의 농도는 0에 접근하고 있음을 보여주고 있다.  플라즈마 반응기 내에서 유체 대류의 영향으로 입자들이 유체가 흐르는 방향으로 밀리게 되어 상류 sheath boundary에서 입자들의 농도보다 하류 sheath boundary에서의 입자 농도가 더 높게 나타나고 있다.  유량이 증가함에 따라 유체가 흐르는 방향으로 입자들이 더 많이 밀려가게 되므로 상류 sheath boundary에서는 입자 농도가 감소하고 있고 하류 sheath boundary에서는 입자 농도가 증가하고 있는 것을 보여주고 있다.

Fig.2는 0.01 sec.에서 반응기 내 압력을 0.1 Torr, 0.2 Torr로 하였을 때 압력  변화에 따른 입자들의 농도 분포를 두 전극간의 거리에 따라 나타낸 것이다.  대부분의 입자들이 두 sheath boundary에 분포하고 있는 것을 보여 주고 있으며 두 sheath 영역에서 입자 농도는 0에 접근하고 있는 것을 보여 주고 있다.  유체 대류의 영향으로 하류 sheath boundary에서 입자 농도가 상류 sheath boundary에서 입자 농도보다 높게 나타나고 있다.  압력이 증가함에 따라 두 전극 방향으로 작용하는 ion drag force에의해 반응기 밖으로 유실되는 입자들이 증가하게 되므로 반응기 내에서 입자 농도는 감소하고 있는 것을 보여주고 있다.

Fig.3은 입자 크기를 1 □로 하고 전기장의 세기를 ±30 V/cm,±100 V/cm로 변화시켰을 때 0.01 sec.에서 입자들의 농도 분포를 두 전극간의 거리에 따라 나타낸 것이다.  대부분의 입자들이 두 sheath boundary에 분포하고 있고 두 sheath 영역에서 입자 농도는 0에 접근하고 있는 것을 보여 주고 있다.  유체 대류의 영향으로 하류 sheath boundary에서 입자 농도가 상류 sheath boundary에서 입자 농도보다 높게 나타나고 있다.  전기장의 세기가 증가함에 따라 두 전극에서의 전기적 반발력은 증가하게 되어 두 sheath 영역에 있는 입자들이 반응기 중앙 쪽으로 더 많이 밀리게 되므로 두 sheath boundary에서 입자 농도가 증가하고 있는 것을 보여주고 있다.  전기장의 세기가 증가함에 따라 두 전극에서의 전기적인 반발력의 증가로 대부분의 입자들이 존재하게 되는 위치는 더 반응기 중앙 쪽으로 이동하고 있는 것을 보여 주고 있다.

결론

본 연구에서는 실란 플라즈마 반응기에서 여러 공정 변수들이 입자 특성과 거동에 미치는 영향을 비정상 상태에서 모델식으로써 고찰하였다.  입자 움직임에 대한 모델식에는 유체 대류, 입자 확산 및 외부힘 등의 영향을 고려하였다.

대부분의 입자들이 두 sheath boundary에 분포하였고 두 전극에서의 전기적인 반발력에 의해 두 sheath 영역에서의 입자 농도는 0에 접근하였다.  유체 대류의 영향으로 유체가 흐르는 방향으로 입자들이 밀리게 되어 하류 sheath boundary에서 입자 농도가 상류 sheath boundary에서 입자 농도보다 높게 나타났다.

유량이 증가함에 따라 유체가 흐르는 방향으로 입자들이 더 많이 밀려가게 되므로 상류 sheath boundary에서는 입자 농도가 감소하였고 하류 sheath boundary에서는 입자 농도는 증가하였다.  압력이 증가함에 따라 두 전극 방향으로의 ion drag force에 의해 반응기 내에서 입자 농도는 감소하였다.  전기장의 세기가 증가함에 따라 두 전극에서의 전기적 반발력의 증가로 두 sheath 영역에 있는 입자들이 반응기 중앙 쪽으로 더 많이 밀리게 되므로 두 sheath boundary에서 입자 농도가 증가하였고 대부분의 입자들이 존재하게 되는 위치는 더 반응기 중앙 쪽으로 이동하였다.

참 고 문 헌

1. Selwyn G. S. and Patterson E. F. : J. Vac. Sci. Technol. A10, 1053 (1992).

2. Watanabe Y., Shiratani M., Kawasaki H., Singh S., Fukuzawa T., Ueda Y. and Ohkura

H. : J. Vac. Sci. Technol. A14 (1996) 540.

3. Howling A. A., Sansonnens L., Dorier J.-L., and Hollenstein Ch. : J. Phys. D: Appl.

Phys., 26, 1003 (1993).

4. Watanabe Y. : personal communication (1994).

5. Kim K. S. and Ikegawa M. : Plasma Sources Sci. Technol. 5 311 (1996).

6. Kim D. J. and Kim K. S. : Japanese J. Appl. Phys., submitted (1997).