PLASMA, ARCING and NOISE

PLASMA

내가 아는 플라스마(Plasma)는 단순 빛이다. 모든 것이 준비된 챔버에 필요한 가스를 흘려 넣고 RF Generator를 켜면 챔버에 밝은 빛이 발생한다. 가스와 RF의 출력에 따라 색깔과 밝기가 다르긴 하지만 파스텔톤의 밝은 빛이다.

 

PLASMA with O2

 

PLASMA with SF6+O2+Ar

 

PLASMA with Ar (CVD)

 

사진으로 잘 표현 되지 않지만 실제로는 더 화려한 색상이다.

 

프라즈마 이론은 아래의 사이트에 아주 잘 설명되어 있다.
https://m.blog.naver.com/jgw1030/221171512475

이 빛을 이용하여 기판에 미세한 구멍을 내거나 표면을 깎아내면 Etching, Target의 표면을 뜯어내 기판에 입히면 Sputter, 그리고 가스의 반응을 가속시키는 일도 한다. 여기서는 식각을 주로 이야기하겠다. 프라즈마를 이용하여 식각에 사용되는 단위는 Å (Ångström, 옹스트롬)이고 1 옴스트롬은 아래와 같고 분당 수십에서 수천 옴스토롬을 식각 한다. 

1 Å = 0.0000001 mm = 0.1 nm  (1 옹스트롬은 0.0000001 밀리미터이다.)

프라즈마가 발생하는 이유는 기판을 식각 하기 위한 이온들을 생성하는 과정에서 발생하는 빛 에너지이다. 프라즈마 빛이 특별히 하는 일은 없으며 발생된 이온을 가속시켜 기판에 충돌시켜 식각을 하게 된다. 

 

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다음은 DRY ETCHER(건식식각장치)의 공정 순서를 보여주는 이미지이다.

ETCH PROCESS (STEP 5에서 PLASMA가 발생하고 이를 Main step이라 한다)

 

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PLASMA vs ARCING

식각 공정을 진행하던 중 간혹 비정상적인 환경이 만들어지면 웨이퍼/글라스 혹은 주변에 arcing이 발생하게 된다. Arcing은 번개와 유사하다. 파츠의 약한 곳, 금속이 드러난 부분, 웨이퍼의 slip으로 드러난 helium hole 등 다양한 곳에서 발생한다.

아래 사진은 세라믹 판을 고정해주는 금속 볼트에서 Arcing이 발생한 사진이다. 세라믹 표면에서 발생한 것이 아니라 내부의 금속 볼트에서 발생하여 외부로 터져 나갔으며 이 충격으로 세라믹 판이 깨졌다.

위와 같이 arcing이 발생하였다. 여기에 깨진 세라믹 우측 판을 제거하면 아래와 같은 형상이 된다. 참고로 위쪽에 흰색은 ESC이고 아래 핑크빛 판이 세라믹이다. 세라믹 아래쪽이 휜 것으로 보이는 이유는 프라즈마에 의해 깎여 나가서 이다. 새 제품으로 교체할 시기가 된 것이다. 

 

세라믹 안쪽의 금속 볼트에서 시작된 arcing의 단면이다. 세라믹 파츠와 금속 볼트가 터져 나갔다.

 

 

프라즈마를 생성하는 일은 조심스럽게 진행된다. 물론 결과는 같겠지만 초기에는 서서히 출력을 높이고 문제가 없다고 판단되면 사용하고자 하는 출력을 사용한다. 그리고 일정 횟수를 반복하여 예열 비슷한 과정을 진행하는데 이를 Seasoning, Conditioning, Aging이라 한다. 출력을 높일수록 arcing의 발생 확률은 높아진다.

 

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RF NOISE

Arcing 이외에도 RF Power가 지나가는 케이블, 커넥터, BOX자체의 틈으로 RF Noise가 방사되어 장치를 망가뜨리거나 설비를 다운시키기도 한다. 예전에 RF Power만 인가하면 제어 PC, DC Power 등의 장치가 down 되는 경험도 있었다. RF Noise를 차폐하지 못해 발생하는 일이다. RF Noise를 제거하기 위해서는 우선 기본에 충실하게 설비를 제작하여야 한다. 이격과 접지를 철저히 하고 주변 장치 역시 차폐와 접지를 규정에 맞게 구성하여야 한다.

아이러니는 철저히 준비한 장치는 noise가 발생하고 급히 설치한 장치는 아무 이상이 없다는 것이다. 이 일을 오래 하였지만 참 알 수 없는 일이다.

Noise 차폐에는 역시... (효과는 없었다)

 

한 번은 RF Generator를 켜면 일부 장치가 down 되는 현상이 지속적으로 발생하였다. 계속 같은 현상이 반복되어 장치들이 손상될까 우려돼 RF 켜기가 무서워질 정도였다.

특히 제어 PC까지 down 되어 다시 부팅을 하고 테스트를 진행하였는데 PC의 boot fail이 가장 걱정되었다. RAID 구성은 되어 있었으나 PC에 문제가 발생하면 복구될 때까지 아무것도 할 수가 없기 때문이다. 

수십 회 반복 후 MPD(Main Power Distribution)의 EMO가 Noise로 인하여 동작된다는 것을 확인하고 절차에 따라 분리, 이격, 커버, 차폐, 어스를 통해 문제를 해결한 적이 있다. 특이하게 RF Generator box와 MPD는 상당히 떨어져 있었으며 직접 연결된 것은 장치를 On/Off하는 signal cable 뿐이었고 접지도 잘되어 있었다. 전혀 예상 포인트는 아니었다. 만일 이것으로 문제가 해결되지 않으면 문제를 우회하는 방법을 찾야 할 것이다.

 

MC DOWN (Sound on 필수)

 

물론 전문가가 있었으면 좀 더 빠르고 효율적으로 처리했겠지만 전장 까막눈이 이 정도로 처리했으면 훌륭했다고 스스로 평가한다. 

Noise는 어디 발생하는가를 찾는 것이 가장 중요하다. 현장에서는 필요한 장치들이 없거나 미비하기 때문에 손쉽게 구할 수 있는 것으로 발생 부위를 찾아야 한다. 우선 의심되는 부위를 차폐하여 현상이 없어지면 당연히 그곳이다. 어스를 추가하고 차폐하여 현상을 제거하는 것이 가장 효율적이다. RF Reflected power를 줄이고 전력 선과 시그널 선을 분리 이격해야 한다. 그리고 현상을 주의 깊게 관측하여 특성을 빨리 찾아내는 것도 중요한다. 

Noise point를 찾아내면 해결은 간단하다. 분리, 이격, 커버, 차폐, 어스로 noise를 제거해야 한다. 그렇지 않으면 문제는 반복되고 몸은 피곤해진다.