Chapter 13

플라즈마 화학과 래디컬

식각과 증착을 실제로 하는 것은 대부분 이온이 아니라 래디컬이다. 10 mTorr Cl₂ ICP에서 이온 밀도는 약 10¹¹ cm⁻³이지만 Cl 원자는 10¹³–10¹⁴ cm⁻³로 수백 배 많다. 이 장은 전자가 분자를 깨뜨리는 속도 $k_{\text{diss}}(T_e)$ 에서 출발해, 래디컬이 생기고 펌프·벽·기상 반응으로 사라지는 수지 균형을 세우고, 그것을 CF₄/O₂, Cl₂, SiH₄, NF₃라는 네 가지 대표 화학에 적용한다. 손잡이는 압력·유량·전력·벽 상태·기체 조성이고, 결과는 래디컬 밀도와 래디컬/이온 플럭스 비다.

해리 단면적과 맥스웰 분포로 $k_{\text{diss}}(T_e)$ 를 계산하고, 문턱이 높을수록 $T_e$ 에 지수적으로 민감한 이유를 설명할 수 있다.
래디컬 생성( $n_e k n_g$ )과 손실(펌핑 $1/\tau_{\text{res}}$ , 벽 재결합 $\gamma \bar v A/4V$ , 기상 반응)을 세워 정상 상태 밀도와 해리율을 계산할 수 있다.
$\Gamma = n\bar v/4$ 로 래디컬 플럭스를 구하고 이온 플럭스와의 비 $\Gamma_n/\Gamma_i$ 를 공정 손잡이로 해석할 수 있다.
CF₄/O₂ 네트워크에서 F 밀도가 O₂ 약 20 %에서 최대가 되는 이유를 반응 속도 방정식으로 보일 수 있다.
Cl₂ 도체 식각, SiH₄ PECVD(SiH₃ 전구체·고차 실레인·입자), NF₃ 원격 세정(수송관 손실)의 핵심 반응과 손잡이를 설명할 수 있다.
기체 가열이 밀도·반응 속도에 주는 영향과 먼지 입자가 플라즈마에 갇히는 힘의 균형을 계산할 수 있다.

전자 충돌 해리: 차가운 기체에서 뜨거운 화학

공정 기체의 온도는 300–600 K(0.03–0.05 eV)인데 C–F 결합(약 5.5 eV), Cl–Cl(2.5 eV), Si–H(3.9 eV)를 끊으려면 몇 eV가 필요하다. 열로 깨려면 수천 K가 필요하지만 플라즈마에서는 $T_e$ ≈ 2–5 eV 전자의 분포 꼬리가 이 일을 한다(1장의 저온 비평형). 대부분의 해리는 전자가 분자를 반발 들뜬 상태(repulsive excited state)로 수직 전이시키는 직접 해리다. 분자의 원자 간 거리가 바뀌기 전에 전자 구름만 바뀌므로(프랑크-콘돈 원리) 문턱 $E_{th}$ 는 결합 에너지보다 크고, 남는 에너지는 조각의 운동 에너지가 되어 기체를 데운다(9절).

그림 13-1. 직접 해리의 퍼텐셜 곡선 그림(왼쪽)과 세 가지 해리 경로(오른쪽). 수직 전이로 반발 곡선 위에 올라간 분자는 진동 한 번(약 10⁻¹⁴ s) 안에 쪼개진다. 문턱은 결합 에너지 D₀보다 높고, 차이만큼 조각이 "뜨겁게" 날아간다.

해리 속도 계수는 3장의 $k = \langle\sigma v\rangle$ 와 같은 방식으로, 단면적을 전자 에너지 분포로 평균한다. 이 장에서는 문턱 근처 모양을 살린 간단한 단면적 $\sigma(E) = \sigma_0(1 - E_{th}/E)$ 를 쓴다.

k_{\text{diss}}(T_e) = \int_{E_{th}}^{\infty}\sigma(E)\,\sqrt{\frac{2eE}{m_e}}\,f(E)\,dE \;\approx\; A\,\exp\!\left(-\frac{E_a}{T_e}\right),\qquad f_{\text{M}}(E) = \frac{2}{\sqrt\pi}\,\frac{\sqrt{E}}{T_e^{3/2}}\,e^{-E/T_e}

f(E)

는 정규화된 전자 에너지 분포(eV⁻¹),

E

와

T_e

는 eV. 적분 결과는 아레니우스 꼴로 잘 맞고, 겉보기 활성화 에너지

E_a

는

E_{th}

에 가깝다. 드루이베스테인 분포

f_{\text{D}} \propto \sqrt{E}\,\exp[-0.55(E/\langle E\rangle)^2]

(평균 에너지

\langle E\rangle = 1.5T_e

)는 꼬리가 빈약해 문턱이 높은 반응을 크게 줄인다(4장).

SIMULATOR

해리 속도 계수 k_diss(Tₑ): 맥스웰 적분과 아레니우스 맞춤

전자 온도 Tₑ

기준 기체

전자 분포

전자 밀도 nₑ

k_diss—

맞춤 A · E_a—

해리 주파수 nₑk—

분자 수명 1/(nₑk)—

Tₑ +10 %일 때 k—

위 적분을 수치로 계산한

k_{\text{diss}}(T_e)

(로그 축, 여섯 기체)와 고른 기체의 아레니우스 맞춤(점선). 단면적 매개변수

E_{th}, \sigma_0

는 문헌 크기에 맞춘 교육용 값이다. 해볼 것: ①

T_e

= 2 → 3 eV에서 CF₄의 k는 약 10배, Cl₂는 2배만 오른다 — 문턱이 높은 기체일수록

T_e

손잡이가 강하다. ② 드루이베스테인으로 바꾸면

T_e

= 2–3 eV에서 CF₄의 k는 10–500배, N₂는 4–40배 떨어지고 Cl₂는 거의 그대로다. 고압 CCP처럼 꼬리가 빈약한 방전에서 N₂가 거의 깨지지 않는 이유다. ③

n_e

= 10¹¹ cm⁻³,

T_e

= 3 eV에서 Cl₂ 분자는 수 ms 만에 깨지는데, 체류 시간은 보통 100 ms 안팎이다 → Cl₂ ICP는 크게 해리된다(6절).

래디컬 수지: 생성 = 펌핑 + 벽 + 기상 반응

래디컬 밀도는 "얼마나 빨리 만드나"와 "얼마나 빨리 잃나"의 비다. 원자 래디컬 X(Cl, O, F, H …)의 정상 상태 수지는 다음과 같다.

\underbrace{m\,k_{\text{diss}}\,n_e\,n_{X_2}}_{\text{생성}} \;=\; \underbrace{\frac{n_X}{\tau_{\text{res}}}}_{\text{펌핑}} \;+\; \underbrace{k_w\,n_X}_{\text{벽 재결합}} \;+\; \underbrace{2k_3\,n_g\,n_X^2}_{\text{기상 재결합}}

m

은 분자 하나에서 나오는 원자 수(Cl₂·O₂는 2),

k_3

는 3체 재결합(X + X + M → X₂ + M) 계수(약 10⁻⁴⁴ m⁶/s). 기상 항은

n_g n_X^2

에 비례하므로 수 Torr 이상에서만 의미가 있고, mTorr 식각에서는 펌핑과 벽이 전부다.

체류 시간(residence time)은 챔버 안의 분자 수를 초당 공급 분자 수로 나눈 값이다. 1 sccm = 4.48×10¹⁷ 분자/s이므로

\tau_{\text{res}} = \frac{N_{\text{챔버}}}{\dot N_{\text{공급}}} = \frac{p\,V/(k_B T_g)}{Q_{\text{sccm}}\times 4.48\times10^{17}\ \text{s}^{-1}},\qquad \frac{1}{k_w} = \frac{\Lambda^2}{D} + \frac{2V(2-\gamma)}{A\,\bar v\,\gamma}\;\xrightarrow{\;\gamma\ll1\;}\;\frac{4V}{\gamma\,\bar v\,A}

\gamma

는 벽에 부딪힌 래디컬이 재결합해 사라질 확률(재결합 계수),

\bar v = \sqrt{8k_BT_g/\pi M}

A/V

는 벽 면적/부피,

\Lambda

는 확산 길이(원통:

\Lambda^{-2} = (2.405/R)^2 + (\pi/L)^2

D \approx \lambda\bar v/3

는 래디컬 확산 계수.

\gamma

가 작으면 표면이 병목(

k_w \approx \gamma\bar vA/4V

), 크면 벽까지 확산하는 시간이 병목이다.

\;

스로틀 밸브가 압력을 고정하므로, 해리로 입자 수가 늘면 밸브가 열려

\tau_{\text{res}}

가 짧아진다(아래 계산기는 이 조건을 맞춘다).

그림 13-2. 래디컬 수지. 저압 ICP에서는 벽 재결합이 펌핑보다 수십 배 빠르므로 래디컬 밀도는 사실상 "벽이 얼마나 잘 먹는가"로 정해진다. 그래서 같은 레시피도 챔버 벽 코팅(시즈닝)이 바뀌면 결과가 바뀐다(14장).

SIMULATOR

래디컬 밀도 계산기: 체류 시간·벽 재결합·해리율

기체

압력 유량 챔버 부피 벽 재결합 계수 γ 전자 밀도 nₑ Tₑ

원자 밀도 n_X—

해리율 n_X/(n_X+2n_X₂)—

τ_res (압력 고정)—

k_w (벽)—

지배 손실—

래디컬 플럭스 n v̄/4—

원통 챔버(반지름 0.25 m, 높이 = V/πR²), 기체 온도 400 K. 분자·원자 두 종의 수지를 풀고, 스로틀이 압력을 고정하도록

\tau_{\text{res}}

를 찾는다(이분법). 그래프: γ에 따른 원자 밀도(실선)와 해리율(점선, 오른쪽 축), 현재 점. 아래 막대: 원자 손실 몫(펌핑·벽·기상). 해볼 것: ① γ를 0.001(석영·테플론)에서 0.5(금속 벽)로 바꾸면 지배 손실이 펌핑에서 벽으로 바뀌며 해리율이 약 95 %에서 30 %로 떨어진다. Cl 밀도는 두 배 남짓 줄어드는데, 해리가 포화된 쪽에서는 분자가 고갈되어 밀도 변화가 해리율 변화보다 작다. ② 압력을 1 Torr로 올리면 확산이 느려져 벽 손실이 확산 제한(

k_w

≈ 16 s⁻¹)으로 줄고, γ가 작은 벽에서는 기상 3체 재결합이 지배 손실이 된다. ③ N₂는 같은 조건에서 거의 해리되지 않는다(1절).

체류 시간과 유량: 래디컬이 켜지고 꺼지는 시간

체류 시간은 "새 기체로 바뀌는 시간"이고, 래디컬 밀도가 정상 상태에 이르는(또는 사라지는) 시간 상수는 $\tau_{\text{eff}} = (1/\tau_{\text{res}} + k_w)^{-1}$ 이다. 기체를 바꾸는 단계(예: ALE의 흡착·제거 교대, EtchBook 식각 화학)나 펄스 플라즈마(12장)에서는 이 시간이 공정 속도를 정한다. 아래 표는 PL-300 IC 모듈 크기(부피 약 20 L, 400 K)에서 계산한 $\tau_{\text{res}}$ 다.

압력 \ 유량	20 sccm	100 sccm	500 sccm	2000 sccm
5 mTorr	0.27 s	54 ms	11 ms	2.7 ms
20 mTorr	1.1 s	0.22 s	43 ms	11 ms
100 mTorr	5.4 s	1.1 s	0.22 s	54 ms
1 Torr	54 s	11 s	2.2 s	0.54 s

$\tau_{\text{res}} \propto pV/Q$ . 같은 압력에서 유량을 늘리면 τ가 짧아져 해리율이 떨어지고(분자가 깨지기 전에 나간다), 반응 생성물(SiCl₄, CO, SiF₄)도 빨리 빠진다. 반대로 τ가 길면 생성물이 다시 해리되어 재증착·고분자 형성이 늘어난다. 펌프 속도(스로틀)를 줄이고 같은 유량을 쓰면 압력과 τ가 함께 늘어난다.

SIMULATOR

래디컬 켜짐·꺼짐: 시간 의존 수지 ODE

압력 유량 벽 재결합 계수 γ 플라즈마 켜짐 시간

τ_res—

1/k_w—

τ_eff—

켜짐 끝 n/n_ss—

꺼진 뒤 1 % 감쇠—

Cl₂,

n_e

= 10¹¹ cm⁻³,

T_e

= 3 eV, 20 L.

dn/dt = G(t) - n/\tau_{\text{res}} - k_w n - 2k_3 n_g n^2

을 반암시적 오일러(손실 항을 새 값으로 처리해 늘 양수·안정)로 적분한다(G는 켜짐 동안만, 분자 고갈 포함, 스로틀 위치는 고정). 해볼 것: ① γ가 작은(석영) 챔버는

\tau_{\text{eff}}

가 체류 시간에 가까워 수백 ms 동안 래디컬이 남는다 — 기체 교대 단계 사이에 퍼지 시간을 길게 잡아야 하는 이유. ② γ = 0.1 이상에서는 래디컬이 수 ms 안에 사라진다. ③ 켜짐 시간이

\tau_{\text{eff}}

보다 짧으면 정상 상태에 이르지 못한다(펄스 듀티와 평균 래디컬 밀도의 관계).

래디컬 플럭스와 이온 플럭스: Γₙ/Γᵢ

표면에 도착하는 양은 밀도가 아니라 플럭스(m⁻²s⁻¹)다. 맥스웰 분포의 중성 입자가 한 면을 지나가는 수는 속도의 수직 성분 중 양(+)인 것만 세면 되고, 그 평균이 $\bar v/4$ 다. 이온은 다르다. 시스 가장자리에서 보옴 속도로 모두 한 방향으로 들어오고(7장), 시스를 지나며 수직으로 가속된다.

\Gamma_n = \frac{1}{4}\,n\,\bar v = n\sqrt{\frac{k_BT_g}{2\pi M}},\qquad \Gamma_i = h_L\,n_e\,u_B = h_L\,n_e\sqrt{\frac{eT_e}{M_i}},\qquad \frac{\Gamma_n}{\Gamma_i} = \frac{n}{h_L n_e}\cdot\frac{\bar v}{4u_B}

h_L

은 벽 앞 밀도 비(6장, 저압 ICP에서 약 0.2–0.5, IC 모듈 10 mTorr에서 약 0.2 — 8장). 300 K F 원자의

\bar v/4

≈ 140 m/s, 3 eV Ar⁺의

u_B

≈ 2.7 km/s로 이온이 20배 빠르게 "흘러" 들어온다. 그래도 래디컬 밀도가 이온보다 10²–10³배 많아 보통

\Gamma_n/\Gamma_i

≈ 10–1000이다.

그림 13-3. 래디컬(초록)과 이온(주황)이 표면에 도착하는 방식. 래디컬은 모든 방향에서 오므로 측벽을 식각(등방)하거나 측벽 보호막을 만들고, 이온은 바닥만 때려 방향성을 준다. 두 플럭스의 비가 식각 속도·프로파일·선택비를 함께 정한다(14장 이온-중성 시너지, EtchBook 시너지).

SIMULATOR

몬테카를로로 세는 플럭스: n v̄/4 대 n u_B

래디컬 종

기체 온도 T_g 이온 Tₑ (u_B, Ar⁺) 밀도 비 n_rad/n_i

MC 측정 Γ/n—

이론 v̄/4—

이온 u_B—

Γₙ/Γᵢ (h_L = 0.4)—

세어진 교차 수—

왼쪽 칸: 3차원 맥스웰 분포에서 뽑은 래디컬 400개가 주기 경계 상자 안을 날아다니고, 바닥 면을 아래로 지나는 횟수를 센다(면적·시간으로 나눈 값이 Γ/n). 오른쪽 칸: 이온은 모두

u_B

로 내려온다(속도는 화면에 맞게 같은 배율로 줄임). 해볼 것: ① 몇 초 뒤 MC 값이

\bar v/4

에 1–2 % 안으로 수렴한다. ② H는 F보다 4.4배 빠르다(

\bar v \propto M^{-1/2}

). ③ 밀도 비 10³이어도

\Gamma_n/\Gamma_i

는 약 150(F, 400 K, Tₑ 3 eV) — 래디컬이 많아 보여도 플럭스 비는 속도 비만큼 줄어든다.

CF₄/O₂: O₂ 20 % 근처의 F 최대

CF₄에 O₂를 조금 넣으면 Si 식각 속도가 몇 배로 빨라지다가, 더 넣으면 다시 느려진다. 1970년대 원통형(배럴) 애셔·식각기에서 액티노메트리로 F 밀도를 잰 고전 실험(Mogab 등)은 F 밀도가 O₂ 약 20 %에서 최대, Si 식각 속도는 약 12 %에서 최대라고 보고했다. 반응 네트워크로 그 이유를 읽을 수 있다.

순수 CF₄: $\text{e} + \text{CF}_4 \to \text{CF}_3 + \text{F}$ 로 생긴 F의 상당 부분이 $\text{CF}_3 + \text{F} \to \text{CF}_4$ 재결합으로 되돌아간다. CFₓ는 F의 "청소부"이고 표면에 고분자도 쌓는다.
O₂ 소량: O 원자가 $\text{CF}_3 + \text{O} \to \text{COF}_2 + \text{F}$ 로 청소부를 없애면서 F를 하나 더 풀어 준다 → F가 급증한다.
O₂ 과량: CF₄ 자체가 묽어지고(공급원 감소), O₂의 전자 부착으로 $n_e$ 가 줄며, O가 Si 표면 자리를 차지해 F와 경쟁한다 → F와 식각 속도가 떨어진다. 표면 경쟁 때문에 Si 식각 최대가 F 최대보다 낮은 O₂ 농도에 온다.

그림 13-4. CF₄/O₂ 교육용 축약 네트워크. 빨간 화살표(R4)가 F를 되돌리는 손실 고리이고, O가 R3로 이 고리를 끊으며 F를 하나 더 만든다. 실제 네트워크는 CF₂·CF·FO·COF 등 수십 개 반응이지만 최대가 생기는 이유는 이 네 반응으로 설명된다.

\frac{d n_{\text{CF}_3}}{dt} = k_1 n_e n_{\text{CF}_4} - n_{\text{CF}_3}\left(\nu_p + \nu_{w3} + k_3 n_{\text{O}} + k_4 n_{\text{F}}\right),\quad \frac{dn_{\text{F}}}{dt} = k_1 n_e n_{\text{CF}_4} + k_3 n_{\text{O}}n_{\text{CF}_3} - n_{\text{F}}\left(\nu_p + \nu_{wF} + k_4 n_{\text{CF}_3}\right)

\frac{dn_{\text{O}}}{dt} = 2k_2n_en_{\text{O}_2} - n_{\text{O}}(\nu_p + \nu_{wO} + k_3n_{\text{CF}_3})

\nu_p = 1/\tau_{\text{res}}

\nu_{wj} = \gamma_j\bar v_j A/4V

. 기준값(교육용): 300 mTorr,

\tau_{\text{res}}

= 0.1 s,

A/V

= 30 m⁻¹,

k_1 = 2.5\times10^{-16}

k_2 = 1.5\times10^{-15}

k_3 = 3\times10^{-17}

k_4 = 2\times10^{-17}

m³/s(3체 효과를 포함한 유효값),

n_e = 10^{10}\ \text{cm}^{-3}\times(1 - 0.6x_{\text{O}_2})

SIMULATOR

CF₄/O₂ 반응 네트워크의 정상 상태 (교육용 정성 모델)

O₂ 비율 전자 밀도 배율 F 벽 재결합 γ_F CF₃+F 재결합 k₄ 배율 Si 식각 속도(O 흡착 경쟁) 표시

n_F—

n_O—

n_CF₃—

F 최대 위치—

Si 식각 최대 위치—

F/F(순수 CF₄)—

세 래디컬 식을 가우스-자이델 반복으로 정상 상태까지 푼다(O₂ 비율 0–95 %를 1 % 간격으로). 실선: F(초록), O(청록), CF₃(갈색) 밀도(로그 축). 굵은 점선: Si 식각 속도

\propto n_F/(1 + K n_O/n_F)

, K = 1, 최대값으로 정규화(오른쪽 축). 수치는 정성적이며 장비마다 다르다. 해볼 것: ① 기준값에서 F 최대 약 22 %, Si 식각 최대 약 12 % — 고전 실험의 모양. ② k₄를 줄이면(재결합이 약한 저압) O₂ 첨가 효과가 작아진다: F 증가의 핵심은 CF₃ 청소다. ③ γ_F를 0.1로 키우면(금속 벽) 벽이 F의 주 손실이 되어 CF₃ 청소 효과의 몫이 작아지고(이득 약 ×8), F 최대와 Si 식각 최대가 낮은 O₂ 쪽(약 13 %, 5 %)으로 옮겨 간다.

실무에서는 같은 원리로 유전체 식각의 C₄F₈/O₂/Ar 비를 맞춘다. O₂는 CFₓ 고분자를 태워 식각 정지를 막지만 너무 많으면 포토레지스트 선택비가 무너진다. 공정 관점의 화학은 EtchBook 식각 화학을 보라.

Cl₂: 도체 식각의 화학과 벽

폴리실리콘 게이트, 금속(Al, TiN, W) 배선, 실리콘 트렌치는 Cl₂·HBr 계열 ICP로 식각한다. Si는 Cl과 만나 휘발성 SiCl₄(끓는점 58 °C)를 만들지만, 도핑하지 않은 Si의 Cl 자발 식각은 매우 느리고 이온 충격이 있어야 빠르다(이온 강화 식각). 그래서 Cl 플럭스와 이온 플럭스의 비가 식각 속도와 프로파일을 함께 정한다. Cl₂ 플라즈마의 특징은 세 가지다.

쉽게 해리된다: 해리 문턱이 낮아(약 3 eV) 고밀도 ICP에서 해리율 50–90 %. 전력을 올리면 Cl₂보다 Cl이 많아지고 이온도 Cl₂⁺에서 Cl⁺ 위주로 바뀐다.
전기 음성: 0–2 eV 전자의 해리성 부착 $\text{e} + \text{Cl}_2 \to \text{Cl}^- + \text{Cl}$ 으로 음이온이 생긴다. 음이온은 양전위 플라즈마에 갇혀 벽에 닿지 못하고 이온-이온 재결합으로만 사라진다(8장 전기 음성 전역 모델). 해리가 진행되면 Cl₂가 줄어 음이온도 준다.
벽에 민감하다: Cl의 벽 재결합 계수는 깨끗한 금속·양극 산화 알루미늄에서 약 0.03–0.1 이상, SiOₓClᵧ 증착물로 덮인 벽에서 약 0.005–0.03으로 크게 다르다. 웨이퍼를 식각하며 나온 SiCl₄가 산소와 만나 벽을 코팅하므로, 첫 웨이퍼와 스무 번째 웨이퍼의 Cl 밀도가 다르다(14장 시즈닝·메모리 효과).

그림 13-5. Cl₂ ICP의 주요 종과 벽. 래디컬(Cl), 음이온(Cl⁻), 양이온(Cl₂⁺·Cl⁺)이 함께 있고, 웨이퍼 식각 생성물이 벽을 코팅해

\gamma_{\text{Cl}}

를 바꾼다. 재결합 계수 값은 문헌 범위의 대략적 크기다.

SIMULATOR

Cl₂ ICP: 전력·압력·벽이 정하는 Cl 밀도와 Γ_Cl/Γᵢ

소스 전력 압력 벽 γ_Cl

벽 프리셋

Tₑ (경험식)—

nₑ—

Cl 밀도—

해리율—

음이온 비 α = n₋/nₑ—

Γ_Cl / Γᵢ—

IC 모듈 크기(R = 0.25 m, L = 0.10 m), Cl₂ 100 sccm. 순서:

T_e(p)

경험식 → 전력 균형

n_e = 0.85P/(e\,u_B A_{\text{eff}}\mathcal{E}_T)

(

\mathcal{E}_T

≈ 120 eV + 7

T_e

) → 래디컬 수지(2절, 압력 고정) → 이온 질량(Cl₂⁺/Cl⁺ 혼합)을 해리율로 갱신하며 반복. 음이온은

k_{\text{att}}n_{\text{Cl}_2}n_e = k_{\text{rec}}n_-n_+

에서 구했다. 그래프: 전력에 따른

\Gamma_{\text{Cl}}/\Gamma_i

(세 압력, 현재 압력은 굵게)와 해리율(점선). 해볼 것: ① 전력을 올리면

n_e

는 거의 비례해 늘지만 Cl은 해리 포화로 덜 늘어

\Gamma_{\text{Cl}}/\Gamma_i

가 줄어든다 — "전력↑ = 이온 지배". ② 압력↑은 반대로 비를 키운다(중성이

n_e

보다 빨리 는다). ③ 벽 프리셋을 금속 → SiOCl 코팅으로 바꾸면 1 kW에서 해리율이 약 50 → 90 %, Cl이 약 1.4배가 된다. 해리가 덜 된 저전력·저압(300 W, 3 mTorr)에서는 차이가 더 크다. 같은 레시피에서 식각 속도와 측벽 각도가 바뀌는 이유다.

IC 모듈 Cl₂ 기준 조건Cl₂ 100 sccm, 10 mTorr, 소스 1 kW(흡수 약 850 W)에서 위 모델은

T_e

≈ 2.8 eV,

n_e

≈ 1.4×10¹¹ cm⁻³, Cl 약 1.7×10¹⁴ cm⁻³(해리율 약 80 %),

\Gamma_{\text{Cl}}/\Gamma_i

≈ 300을 준다(γ_Cl = 0.03). Ar 기준값(1.5 kW에서

n_e

≈ 4×10¹¹ cm⁻³, 10장)보다 밀도가 낮은 것은 분자 기체의 이온쌍당 손실 에너지

\mathcal{E}_T

가 Ar의 두세 배이기 때문이다(해리·진동 여기에 전력이 쓰인다). 챔버 간 Cl 밀도를 맞추려면 전력보다 벽 상태(시즈닝 웨이퍼 수, 세정 후 경과)를 먼저 맞춘다.

SiH₄: PECVD의 전구체 SiH₃와 고차 실레인

PECVD 비정질 실리콘(a-Si:H)·질화막·산화막은 모두 SiH₄를 플라즈마로 깬다(ThinFilmBook PECVD). 전자 충돌 해리는 주로 SiH₂(약 80 %)를 만들고 SiH₃는 일부(약 20 %)지만, 실제 플라즈마에서 가장 많은 래디컬은 SiH₃다. 이유는 두 반응이다.

\text{SiH}_2 + \text{SiH}_4 \xrightarrow{k_{\text{ins}}\,\approx\,10^{-16}\ \text{m}^3/\text{s}} \text{Si}_2\text{H}_6,\qquad \text{H} + \text{SiH}_4 \xrightarrow{k_H(T_g)} \text{SiH}_3 + \text{H}_2

SiH₂는 SiH₄에 끼어들기(삽입) 반응으로 수 µs 만에 사라지고 다이실레인(Si₂H₆)이 된다. H 원자는 SiH₄에서 H를 빼앗아 SiH₃를 만든다(활성화 에너지가 있어 기체 온도가 높을수록 빠르다). SiH₃는 SiH₄와 반응하지 않으므로 오래 살아남아 표면까지 확산한다.

SiH₃의 표면 반응 확률은 약 0.26으로 작아, 표면에서 여러 번 튀며 가장 안정한 자리를 찾는다 → 매끈하고 치밀하며 단차 피복이 좋은 막. 반대로 SiH₂·SiH는 부착 확률이 1에 가까워 거칠고 다공성인 막을 만든다. 그래서 "SiH₃ 영역"(저전력, 적당한 압력)이 고품질 a-Si:H의 조건이다. 전력·압력을 올리면 SiH₂ 삽입 사슬이 Si₂H₆ → Si₃H₈ → … 로 이어지고, 음이온(SiH₃⁻ 등)이 플라즈마에 갇혀 클러스터로 자라 분말(파우더)이 된다(10절).

그림 13-6. SiH₄ 플라즈마의 두 갈래. 위쪽 SiH₃ 경로가 막을 만들고, 아래쪽 SiH₂ 삽입 사슬이 고차 실레인과 입자를 만든다. 전구체 선택은 공정 조건으로 이루어진다.

SIMULATOR

SiH₄ PECVD 래디컬 네트워크: SiH₃ 영역과 파우더 위험

RF 전력 압력 SiH₄ 비율 (H₂ 희석) 기판·기체 온도 총 유량

SiH₃ 밀도—

SiH₃ / SiH₂—

SiH₄ 고갈—

증착 속도 (SiH₃ 몫)—

Si₂H₆ / SiH₄—

사슬 지표 k_ins n_SiH₂ τ—

PE 모듈(전극 반지름 0.165 m, 간격 10 mm). 종: SiH₄, SiH₃, SiH₂, H, Si₂H₆, Si₃H₈. 반응: 전자 충돌 해리(SiH₂ 83 %, SiH₃ 17 %,

k_{\text{diss}}

≈ 6×10⁻¹⁶ m³/s), H₂ 해리(3×10⁻¹⁷ m³/s), SiH₂ 삽입, H 추출

k_H = 10^{-16}e^{-2000/T_g}

, SiH₃ 자기 반응, 벽 손실(확산 + 반응 확률 SiH₃ 0.26, SiH₂ 0.8, H 0.1), 펌핑.

n_e \propto W^{0.9}

(경험식). 막대: 각 종 밀도(로그). 사슬 지표는 고차 실레인 하나가 체류 시간 동안 SiH₂를 한 번 더 받을 확률의 척도로, 정성적인 파우더 위험 신호로만 읽는다. 해볼 것: ① 전력 200 → 1000 W: SiH₄ 고갈과 사슬 지표가 함께 커진다. ② 압력을 높이면 SiH₃/SiH₂는 커지지만(H 추출·삽입이 빨라짐) 고차 실레인도 늘어 파우더 쪽으로 간다. ③ 온도를 200 °C로 낮추면 같은 압력에서 기체 밀도가 늘어 SiH₃도 늘지만 사슬 지표가 함께 커진다 — 저온 PECVD에서 입자·막 결함 관리가 더 까다로운 이유 중 하나다.

PE 모듈 SiH₄ 조건13.56 MHz, 간격 10 mm, 3 Torr, 400 °C, SiH₄ 10 %(H₂ 희석), 200 W에서 모델은 SiH₃ 약 7×10¹² cm⁻³, SiH₃/SiH₂ 약 700, SiH₄ 고갈 약 15 %, SiH₃ 몫 증착 속도 약 40 nm/min을 준다(교육용 모델값. 실측 보고값은 조건에 따라 대개 10¹¹–10¹³ cm⁻³). 이 영역에서 SiH₃가 막 성장의 대부분을 맡는다. 3 Torr에서 평균 자유 행로는 수십 µm로 간격 10 mm보다 훨씬 짧아, 래디컬은 확산으로 전극에 닿는다. 파우더가 보이면(배기 라인·샤워헤드 가루, 막 위 입자 결함) 먼저 압력과 전력을 낮추거나 RF를 펄스로 변조한다.

NF₃ 원격 플라즈마 세정: F를 멀리 보내기

PECVD·CVD 챔버 벽과 샤워헤드에 쌓인 SiO₂·Si₃N₄는 주기적으로 F 원자로 태워 없앤다( $\text{SiO}_2 + 4\text{F} \to \text{SiF}_4 + \text{O}_2$ , $\text{Si}_3\text{N}_4 + 12\text{F} \to 3\text{SiF}_4 + 2\text{N}_2$ ). 예전에는 챔버 안에서 C₂F₆/O₂ 플라즈마를 켰지만, 이온 충격이 샤워헤드와 히터를 깎고, 해리되지 않은 PFC가 대량으로 배출되었다. 지금은 챔버 밖 원격 플라즈마 소스에서 NF₃를 거의 완전히 깨뜨리고, 중성 F만 수송관으로 보낸다.

NF₃는 N–F 결합이 약하고(약 2.5 eV) 해리성 부착 단면적이 커서, 수 kW 토로이달 방전에서 95 % 이상 해리된다. 남는 NF₃가 적어 배출 PFC가 크게 준다(NF₃ 자체는 지구 온난화 지수가 매우 크므로 배기 저감 장치로 처리 — InfraBook 배기·스크러버).
F는 수송관에서 두 가지로 잃는다. 벽 재결합( $\nu_w \approx \gamma\bar v/2r$ , 반지름 r 관)과 3체 기상 재결합 $\text{F} + \text{F} + \text{M} \to \text{F}_2 + \text{M}$ ( $\propto p\,n_F^2$ ). 압력을 높이면 체류 시간이 길어지고 3체 반응이 커져 F 수송 효율이 떨어진다. 그래서 관은 짧고 굵게, 내벽은 재결합이 작은 재료로 만든다.
챔버에 도착한 F는 열 활성 반응으로 벽을 식각한다. 플람(Flamm) 경험식: $R_{\text{SiO}_2}\,[\text{Å/min}] = 6.14\times10^{-13}\,n_F\,T^{1/2}e^{-1892/T}$ ( $n_F$ 는 cm⁻³). 활성화 에너지(0.16 eV) 때문에 400 °C 히터 주변은 상온 벽보다 수십 배 빨리 깨끗해진다.

그림 13-7. 원격 플라즈마(RP) 세정. 토로이달 방전 루프는 페라이트 코어를 2차 권선으로 삼은 변압기다(10장 변압기 모델). F는 수송관을 지나는 동안 벽과 기상 재결합으로 줄어든 채 챔버에 들어간다.

X_{\text{NF}_3} = 1 - \exp\!\left(-\frac{\eta P}{\dot N_{\text{NF}_3}\,\mathcal{E}_d}\right),\qquad u\frac{dn_F}{dz} = -\nu_w n_F - 2k_3\,n_g\,n_F^2,\qquad \frac{1}{\nu_w} = \frac{(r/2.405)^2}{D} + \frac{r(2-\gamma)}{\bar v\gamma}

\eta

≈ 0.85(전력 전달 효율),

\mathcal{E}_d

≈ 10 eV(NF₃ 하나를 깨는 데 드는 유효 에너지, 교육용 가정),

u

는 관 속 유속(해리로 몰수가 NF₃ 1 → ½N₂ + 3F, 3.5배가 됨을 반영),

k_3

≈ 10⁻⁴⁵ m⁶/s(F + F + M, 대략). 관 반지름 12.5 mm.

SIMULATOR

NF₃ 원격 플라즈마: 해리 → 수송관 손실 → 챔버 세정 속도

RP 전력 NF₃ 유량 압력 수송관 길이 관 벽 γ_F 세정 대상 온도

NF₃ 해리율—

관 통과 시간—

F 생존율 (관 끝)—

F 공급 (sccm 환산)—

챔버 n_F—

SiO₂ 세정 속도—

Ar 유량 = NF₃ 유량, 관 기체 온도 500 K. 관을 400 칸으로 나눠 위 식을 적분한다. 그래프: 관 길이에 따른 F 몰분율(실선)과 같은 조건에서 γ를 10배 키웠을 때(점선), 3체 반응을 끈 경우(가는 선). 챔버

n_F

는 관 끝 몰분율 × 챔버 기체 밀도(같은 압력)에 챔버 벽 손실(γ = 10⁻³)을 반영한 값이고, 세정 속도는 플람 식이다. 해볼 것: ① 전력 6 kW, NF₃ 2 slm에서 해리율 95 % 이상(PL-300 RP 사양). ② 압력을 1 → 10 Torr로 올리면 F 생존율이 96 → 45 %로 떨어져 F 공급(분자/s)이 절반 이하가 되지만, 챔버

n_F

는 기체 밀도 자체가 커져 오히려 조금 는다. 공급이 줄면 반응 생성물(SiF₄)을 빼내는 속도와 넓은 면적에서의 균일도가 나빠지므로 실제 세정은 수 Torr 근처에서 맞춘다. ③ 세정 대상 온도를 25 °C로 내리면 같은 F로 세정 속도가 수십 분의 1이 된다.

RP 모듈 세정 조건400 kHz 토로이달, 최대 8 kW, NF₃/Ar 1–10 Torr. 6 kW, NF₃ 2 slm, 3 Torr에서 위 모델은 해리율 약 97 %, 관 0.6 m 통과 약 4 ms, F 생존율 약 85–90 %(γ = 10⁻³), 400 °C 표면의 SiO₂ 세정 속도 µm/min급을 준다. 관 내벽이 오염되거나 거칠어져 γ가 10배 커지면 생존율이 수십 % 떨어진다 — 세정 시간이 점점 늘어나는 챔버는 관 상태를 의심한다. 세정 끝점은 배기의 SiF₄ 신호(적외선·질량 분석)가 떨어지는 시점으로 잡는다.

기체 온도: 보이지 않는 손잡이

저온 플라즈마라도 기체는 데워진다. 전자의 탄성 충돌(에너지 전달 $2m_e/M$ , 아주 작음), 이온-중성 전하 교환(시스·예비 시스에서 얻은 이온 에너지), 해리 조각의 운동 에너지(1절의 $E - D_0$ ), 벽 재결합 열이 기체로 간다. ICP에서 $T_g$ 는 흔히 500–1000 K다. 압력이 고정된 챔버에서 기체가 뜨거워지면

밀도가 준다: $n_g = p/k_BT_g$ . 중심이 뜨거우면 중심 밀도가 낮아지는 기체 고갈이 생기고, 이것이 $T_e$ 를 올린다(같은 압력이지만 $n_g$ 가 작아진 것과 같다, 8장).
속도가 빨라진다: $\bar v \propto T_g^{1/2}$ → 래디컬 플럭스와 벽 손실 주파수가 커진다.
열 활성 반응이 바뀐다: 아레니우스 반응(H + SiH₄, F + SiO₂)은 빨라지고, 3체 재결합( $k_3 \propto T_g^{-1}\sim T_g^{-2}$ )은 느려진다.

정상 상태 열전도 방정식 $\nabla\cdot(\kappa\nabla T) = -q$ 를 창과 웨이퍼 사이(간격 L, 두 벽 $T_w$ )의 1차원으로 풀면, 열전도도 $\kappa = \kappa_0(T/T_0)^{0.7}$ (Ar, $\kappa_0$ ≈ 0.018 W/m·K)에 대해 키르히호프 변환으로 닫힌 해가 나온다.

\frac{\kappa_0 T_0}{1.7}\left[\left(\frac{T(z)}{T_0}\right)^{1.7} - \left(\frac{T_w}{T_0}\right)^{1.7}\right] = \frac{q}{2}\,z(L - z),\qquad q = f_h\,\frac{P_{\text{abs}}}{V}

f_h

는 흡수 전력 중 기체 가열에 쓰이는 몫. 저압에서는 대부분 이온·전자가 벽으로 가져가 수 %, 압력이 높을수록(전하 교환·해리 가열 증가) 커진다. 여기서는 교육용으로

f_h = 0.03 + 0.17\,p/(p + 50\ \text{mTorr})

, 분자 기체는 프랑크-콘돈 가열로 1.5배를 쓴다. 저압에서 벽 앞 온도 도약(크누센 층)은 무시했다.

SIMULATOR

기체 가열: 온도 분포와 밀도·반응 속도 변화

흡수 전력 압력 창-웨이퍼 간격 L 벽 온도 T_w

기체

중심 T_g—

중심 n_g / 벽 n_g—

v̄ 증가 (중심)—

F + Si 식각 속도 배율—

3체 재결합 배율—

IC 모듈 부피(반지름 0.25 m × L). 위 닫힌 해로

T(z)

를 그리고(실선, 왼쪽 축), 압력 고정 조건의 상대 밀도

n_g(z)/n_g(\text{벽})

(점선, 오른쪽 축)를 함께 보인다. 배율은 벽 온도 대비 중심 온도에서의 값: Si 식각은 플람 식

T^{1/2}e^{-1250/T}

, 3체 재결합은

T^{-1.5}

로 가정. 해볼 것: ① 10 mTorr, 1.5 kW에서 중심 약 500–600 K, 중심 밀도는 벽 근처의 약 60 %. ② 압력을 올리면

f_h

가 커져 1000 K에 가까워진다. ③ 간격을 넓히면 열이 빠져나갈 길이 길어져(

\Delta T \propto qL^2

q \propto 1/L

) 더 뜨거워진다.

기상 입자와 먼지 플라즈마

플라즈마 속 입자(먼지)는 전자가 이온보다 훨씬 빨리 날아와 붙으므로 음으로 대전된다. 부유 전위는 $-(2\text{–}4)T_e$ 정도이고, 반지름 $a$ 인 구의 전하는 $Q = 4\pi\varepsilon_0 a\phi_f$ 로 반지름에 비례한다(100 nm, 3 eV에서 전자 수백 개). 음전하 입자는 양전위 플라즈마에 갇히므로, 일단 생긴 입자는 펌프로 빠져나가지 못하고 자란다. 그리고 플라즈마를 끄는 순간 가둠이 사라져 웨이퍼 위로 떨어진다 — 입자 결함의 대표 경로다.

I_e = 4\pi a^2 e n_e\sqrt{\frac{eT_e}{2\pi m_e}}\,e^{\phi_f/T_e} = I_i = 4\pi a^2 e n_i\sqrt{\frac{k_BT_i}{2\pi M_i}}\left(1 - \frac{e\phi_f}{k_BT_i}\right)

궤도 운동 제한(OML) 근사의 전류 균형. 힘: 정전기력

F_E = QE

(

\propto a

), 이온 끌림

F_{id} = n_iM_iv_su\,[\pi b_c^2 + 4\pi b_{\pi/2}^2\ln\Lambda]

(

\propto a^2

), 중력

F_g = \frac43\pi a^3\rho g

(

\propto a^3

b_c

는 수집 반지름,

b_{\pi/2} = Qe/(4\pi\varepsilon_0M_iv_s^2)

는 90° 산란 충돌 변수.

그림 13-8. 실레인 플라즈마의 입자 생성 세 단계(왼쪽)와 시스 가장자리 부유(오른쪽). 음 대전 입자는 시스의 강한 전기장 위에 떠 있다가 플라즈마가 꺼지면 웨이퍼에 떨어진다.

SIMULATOR

먼지 입자: OML 대전과 힘의 균형

입자 반지름 a 전자 밀도 nₑ Tₑ 압력

부유 전위 φ_f—

전하 수 Z—

F_E (예비 시스)—

F_ion 끌림—

F_g 중력—

판정—

Ar 플라즈마,

T_i

= 0.026 eV, Si 입자(밀도 2330 kg/m³). OML 전류 균형을 이분법으로 풀어

\phi_f

를 구한다. 예비 시스 전기장

E_{ps} \approx T_e/\lambda_i

(이온 평균 자유 행로), 시스 가장자리 전기장

E_s \approx T_e/\lambda_{De}

, 이온 끌림은

u = u_B/2

로 계산(Barnes 식). 그래프: 반지름에 따른 네 힘(로그-로그)과 현재 반지름. 해볼 것: ① 100 mTorr에서는 nm부터 µm 입자까지 정전기력이 이겨 플라즈마 안에 갇힌다(실레인 PECVD에서 입자가 빠져나가지 못하고 자라는 이유). ② 압력을 5 mTorr로 낮추면

\lambda_i

가 길어져 예비 시스 전기장이 약해지고, 약 0.2–2 µm 입자에서 이온 끌림(

\propto a^2

)이 이겨 입자가 벽·펌프 쪽으로 쓸려 간다. ③ 약 15 µm 이상에서는 중력이 시스 가장자리 전기력마저 이겨 떨어진다. 그 사이 크기는

QE_s = mg

인 시스 가장자리에 떠 있다.

먼지 플라즈마 상자입자가 많아지면(

n_d Z \sim n_e

) 전자를 대량으로 흡수해 전자 밀도가 떨어지고, 전력 균형을 맞추려

T_e

가 올라간다. 이것이 실레인 플라즈마에서 "α → γ′ 전이"라 부르는 변화로, 방전 임피던스·자기 바이어스·발광이 갑자기 바뀌어 장비 신호로 감지된다. 입자끼리는 강하게 결합해 결정처럼 배열되기도 한다(플라즈마 결정, 결합 파라미터

\Gamma \gg 1

— 2장). 공정에서는 펄스 변조로 꺼짐 구간마다 음이온을 빼내 핵 생성을 끊고, 공정 끝에 전력을 서서히 낮추며 기체 흐름으로 입자를 배기 쪽으로 쓸어낸다.

조건 → 결과: 래디컬 손잡이 정리

손잡이 (다른 것 고정)	래디컬 밀도	해리율	Γₙ/Γᵢ	메커니즘
소스 전력 ↑	↑ (포화)	↑	↓	$n_e \propto P$ , 해리는 분자가 고갈되면 포화
압력 ↑	↑	↓ 또는 비슷	↑	$n_g\uparrow$ , $\tau_{\text{res}}\uparrow$ , $T_e\downarrow$ , 벽 손실이 확산 제한으로
유량 ↑ (압력 고정)	↓	↓	↓	$\tau_{\text{res}}\downarrow$ , 깨지기 전에 배기. 생성물도 빨리 빠짐
벽 γ ↑ (세정 직후 금속 벽)	↓↓	↓	↓	$k_w = \gamma\bar vA/4V$ . 시즈닝으로 γ를 낮춰 안정화
CF₄에 O₂ 첨가	F: ↑ 후 ↓ (최대 ≈ 20 %)	—	—	O가 CFₓ 청소부 제거 → F 해방, 과량이면 희석·흡착 경쟁
SiH₄ 전력·압력 ↑	SiH₃ ↑, SiH₂·고차 실레인 ↑↑	↑	—	SiH₂ 삽입 사슬 → 파우더 위험
RP 압력 ↑	F 공급 ↓	NF₃ ≈ 그대로	—	관 체류 시간↑, 3체 재결합 $\propto p\,n_F^2$
기체 온도 ↑	$n_g\downarrow$ (압력 고정)	—	↑ ( $\bar v\uparrow$ )	열 활성 반응↑, 3체 재결합↓, 기체 고갈 → $T_e\uparrow$
바이어스 전력 ↑	≈ 그대로	≈ 그대로	≈ 그대로	이온 에너지만 바뀜(플럭스·화학은 소스가 정함, 7장)

핵심 정리

해리는 주로 전자가 분자를 반발 상태로 올리는 직접 해리다. $k_{\text{diss}}(T_e) = \langle\sigma v\rangle \approx A e^{-E_a/T_e}$ 이고, 문턱이 높은 기체(CF₄, N₂)일수록 $T_e$ 와 EEDF 꼬리에 민감하다.
래디컬 수지: $m k n_e n_{X_2} = n(1/\tau_{\text{res}} + k_w) + 2k_3n_gn^2$ . $\tau_{\text{res}} = pV/(k_BT\cdot Q)$ , $k_w \approx \gamma\bar vA/4V$ (γ 작을 때) 또는 $D/\Lambda^2$ (γ 클 때). 저압 식각에서는 벽 손실이 지배하므로 벽 상태가 공정 변수다.
래디컬 플럭스 $\Gamma_n = n\bar v/4$ , 이온 플럭스 $\Gamma_i = h n_e u_B$ . 보통 $\Gamma_n/\Gamma_i$ ≈ 10–1000이고, 전력↑은 비를 줄이고 압력↑은 키운다.
CF₄/O₂에서 O는 CF₃ 청소부를 COF₂로 바꾸며 F를 해방해 F가 O₂ 약 20 %에서 최대가 된다. Si 식각 최대는 O 흡착 경쟁 때문에 더 낮은 약 12 %.
Cl₂는 쉽게 해리(50–90 %)되고 전기 음성이며 벽 코팅에 따라 γ_Cl이 한 자릿수 바뀐다. 첫 웨이퍼 효과와 챔버 매칭의 뿌리다.
SiH₄ PECVD에서 SiH₂는 삽입 반응으로 곧 사라지고 SiH₃가 주 전구체가 된다(반응 확률 약 0.26 → 매끈한 막). 전력·압력이 크면 고차 실레인·음이온 클러스터가 파우더로 자란다.
NF₃ 원격 플라즈마는 95 % 이상 해리 후 중성 F만 보낸다. 수송관의 벽 재결합과 3체 재결합( $\propto p n_F^2$ )이 손실이고, 세정 속도는 열 활성(플람 식)이라 표면 온도에 강하게 의존한다.
기체 가열은 압력 고정에서 $n_g$ 를 줄이고 $\bar v$ 를 키우며 반응 속도를 바꾼다. 먼지 입자는 음으로 대전되어 플라즈마에 갇히고, 끌 때 웨이퍼로 떨어진다.

확인 퀴즈

1. 같은 플라즈마에서 $T_e$ 를 2 eV에서 3 eV로 올렸다. 해리 속도 계수가 가장 크게(비율로) 늘어나는 기체는?

k \approx Ae^{-E_a/T_e}

에서 비율

k(3)/k(2) = \exp[E_a(1/2 - 1/3)] = e^{E_a/6}

이므로

E_a

(≈ 문턱)가 클수록 민감하다. 모델로 CF₄ 약 10배, Cl₂ 약 2배.

2. 부피 20 L 챔버, 20 mTorr, 기체 온도 400 K, 유량 100 sccm일 때 체류 시간은 약 얼마인가? (1 sccm = 4.48×10¹⁷ 분자/s)

n = p/k_BT = 2.67/(1.38\times10^{-23}\cdot400) \approx 4.8\times10^{20}

m⁻³,

N = nV \approx 9.7\times10^{18}

. 공급

100\times4.48\times10^{17} = 4.5\times10^{19}

s⁻¹ →

\tau \approx 0.22

3. 저압(10 mTorr) Cl₂ ICP에서 챔버를 습식 세정한 직후 Cl 밀도가 평소보다 크게 낮았다. 가장 그럴듯한 이유는?

저압에서는 벽 손실

k_w \approx \gamma\bar vA/4V

가 펌핑보다 수십 배 빠르다. 깨끗한 금속·산화 Al 벽은 코팅된 벽보다 γ가 몇 배 커서 Cl이 줄어든다. 그래서 세정 후 시즈닝 웨이퍼를 돌린다. 3체 반응은 mTorr에서 무시할 만하다.

4. CF₄ 플라즈마에 O₂를 약 20 % 넣으면 F 밀도가 크게 늘어나는 주된 이유는?

순수 CF₄에서는 CF₃ + F → CF₄ 재결합이 F의 주 손실이다. O는 CF₃를 COF₂로 바꾸면서 F를 하나 더 낸다. O₂가 더 많아지면 CF₄ 희석, 전자 부착, O의 표면 경쟁으로 다시 감소한다.

5. 300 K에서 F 원자(19 u)의 평균 속력은 약 580 m/s다. 밀도 1×10²⁰ m⁻³인 F의 표면 플럭스는?

\Gamma = n\bar v/4 = 10^{20}\times580/4 = 1.45\times10^{22}

m⁻²s⁻¹. 등방 분포에서 한 면으로 향하는 성분의 평균이

\bar v/4

다.

6. 고품질 a-Si:H PECVD에서 SiH₃가 주 전구체로 여겨지는 이유로 옳지 않은 것은?

전자 충돌 해리의 주 생성물은 SiH₂(약 80 %)다. SiH₃가 많은 것은 생성 분기비 때문이 아니라, SiH₂가 빨리 소모되고 SiH₃는 오래 살며 H 추출로 보충되기 때문이다.

7. NF₃ 원격 플라즈마 세정에서 소스 압력을 3 Torr에서 10 Torr로 올렸더니 챔버에 도착하는 F 원자 공급(분자/s)이 크게 줄었다. 주된 원인은?

같은 유량에서 압력을 올리면 유속이 느려져 관을 지나는 시간이 늘고, F + F + M → F₂ + M 반응은

n_g n_F^2

즉 압력의 세제곱 가까이 커진다. 해리율은 전력과 유량이 정하므로 거의 그대로다.