기계적 펌핑 기반의 반응성 플라즈마를 이용한 GaAs 반도체와 고분자 소재의 건식 식각 연구 = Dry etching and characterization of GaAs and polymers using reactive plasmas in a mechanical pumping system

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 기계적 펌핑 기반의 반응성 플라즈마를 이용한 GaAs 반도체와 고분자 소재의 건식 식각에 대한 결과를 다루어 보고자 한다. 현재 GaAs는 레이저 소자, 고출력의 이동 통신용 소자로 보편적으로 사용되고 있다.[1]~[6] 고분자소재의 경우 플렉시블 폴리머 소재를 기반으로 하는 플라스틱 반도체, 바이오 칩, 센서 등 다양한 소자를 개발하고자 하는 노력이 가속되고 있다.[7] 특히 향후 비정질 실리콘, ZnO, InSnO 등의 투명한 반도체 물질, PEDOT 등의 전도성 폴리머의 개발이 가속화 됨에 따라 미래 플렉시블 소자의 기판으로 사용할 새로운 재료의 미세 가공에 대한 관심이 커가고 있다. 또한 1회용 바이오 멤스(MEMS) 소자의 개발에 있어 손쉽게 양산이 가능하며 소재 가공성이 뛰어난 물질에 대한 수요가 머지않아 나타날 것으로 예상한다. 그런 의미에서 미세 가공이 필요한 바이오 멤스 분야에서 폴리머 소자 개발을 위한 건식 식각 공정 개발은 상당히 중요하다고 할 수 있다.
본 연구를 수행함에 있어서 필수적인 장비인 건식 식각 장비는 일반적인 관점에서 볼 때 고전압의 파워를 사용하고 진공을 사용해야한다는 큰 약점들을 가지고 있다. 결국 이런 것들은 장비의 가격을 높이고 소자 제조 비용에 큰 부담을 준다. 그런 측면에서 플라즈마 시스템의 안정성을 더욱 강화하며 경제성을 유지하고자 한다면 이 문제를 몇 가지로 나누어 생각해 볼 수 있다. 첫째는 플라즈마 식각 공정에서 낮은 공정 압력 유지를 위해 흔히 사용하는 터보분자 펌프를 가능한 이용하지 않는 기술을 개발하여야 한다. 터보 분자 펌프는 스태터와 로터로 구성되어 있으며 회전 날개인 로터가 분당 수만 번 회전함에 의해 고진공을 유지하게 되어있다. 그러나 일반적으로 지금까지의 터보 펌프는 기계적 충격에 상대적으로 약하고, 언제든 정전 등에 의해 쉽게 고장날 수 있으며, 고장시에는 유지 보수에 많은 비용이 들 수 있다. 그리고 이 문제는 반드시 GaAs와 고분자 재료의 식각의 경우에만 국한되는 것은 아니다. Si의 경우에도 최근 들어 450 mm 직경의 웨이퍼가 시험 생산되고 있으며 터보 펌프를 사용하는 지금의 식각 공정을 근본적으로 개선하지 않고 그대로 사용한다면 향후에 그런 규모의 웨이퍼를 플라즈마로 식각하기 위해서는 더 용량이 큰 터보 펌프를 사용하여야 한다. 그러나 현재 Si 소자의 패턴 크기를 생각한다면 앞으로도 플라즈마 식각의 사용을 피할 수 없다는 것을 쉽게 짐작할 수 있다. 또한 소자 제조 원가 비용 절감을 위해 여러 장의 웨이퍼를 동시에 식각하고자 하는 산업의 요구에 부응하는 경우에는 역시 터보 분자펌프의 높은 가격은 제조업체와 장비 업체에 큰 부담이 아닐 수 없다. 두번째로는 플라즈마를 발생시키기 위하여 공정 반응기로 인가되는 전압과 전류를 지나치게 높은 것을 사용하는 것을 피해야 한다는 것이다. 이 문제는 우리가 지금까지 개발한 모든 플라즈마 장비를 바라보는 관점을 새롭게 한다. 즉, 높은 전압과 많은 전류를 공급하여 식각 속도를 높일 수는 있겠지만 그런 높은 전압과 전류의 사용은 그만큼 장비의 위험도를 높이게 된다. 특히 고밀도 플라즈마를 생성하기 위해서는 독립적인 두 개 이상의 전원을 공급해주는 것이 일반적이다.
그에 따라 반응기에는 높은 열이 발생하고 이것은 다시 고성능의 열교환기와 열 교환을 위한 더욱 정밀한 샘플 지지대를 요구한다. 여기서 우리가 스스로 의문점을 가질 수 있는 것은 그럼 이 모든 문제를 해결하기 위해서는 어떤 연구가 선행되어야 하는 것이다. 그 답으로는 터보 분자 펌프를 사용하지 않고 가능한 많지 않은 파워를 사용하여 소재를 식각할 수 있는 공정을 개발하고자 하는 것이다. 우리는 이런 관점에서 1) 오직 단순한 기계적 펌프만을 사용하고, 2) 비교적 단순한 CCP 만을 사용하여 상대적으로 높은 GaAs와 고분자 재료의 건식 식각률 (> 0.1 ㎛/min)을 줄 수 있는 우수한 플라즈마 공정을 개발하고자 한다. 여기서 더 나아가 고분자 소재를 이용한 건식 식각 공정에서는 다층 RIE Multi electrode를 이용한 건식 식각 공정을 수행한 결과에 대해서 논하고자 한다.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• 목 차................................................................................................iii
• 그 림 목 차...........................................................................................vi
• 표 목 차 ...............................................................................................ix
• 국문 초록...............................................................................................x
• ABSTRACT.........................................................................................xiii
• 1. 서 론 (Introduction)........................................................................ 1
• 1.1 갈륨-비소(GaAs)반도체..................................................................1
• 1.2 고분자 소재(Polymers)...................................................................4
• 1.3 기계적 펌핑 기반의 식각 기술.........................................................7
• 2. 문 헌 연 구 (Literature survey)....................................................10
• 2.1 플라즈마 (plasma)의 소개.............................................................10
• 2.1.1 플라즈마 (plasma)...................................................................10
• 2.1.2 이온화 정도 (The degree of ionization)..................................10
• 2.1.3 저압플라즈마와 대기압 플라즈마(Low-pressure and Atmospheric plasma)...........................................................................11
• 2.1.4 저온 플라즈마와 고온 플라즈마(Cold plasma and Hot plasma).................................................................................................13
• 2.1.5 플라즈마에서의 쉬스(sheath)형성............................................15
• 2.2 식각 공정(Etching Process).........................................................18
• 2.2.1 습식 식각과 건식 식각(Wet Etching and Dry Etching)............18
• 2.2.2 ICP (Inductively Coupled plasma)와 CCP(Capacitively Coupled plasma) .................................................................................23
• 3. 기계적 펌프 기반의 축전 결합형 BCl3/N2 플라즈마를 이용한 GaAs의 건식 식각................................................................................27
• 3.1 서 론............................................................................................27
• 3.2 실험방법......................................................................................28
• 3.3 결과 및 고찰................................................................................32
• 3.4 요먁 및 결론.................................................................................45
• 4. 다층 RIE Electrodes를 이용한 아크릴의 O2/N2 Plasma etching.................................................................................................46
• 4.1 서 론.............................................................................................46
• 4.2 실험방법.......................................................................................48
• 4.3 결과 및 고찰..................................................................................52
• 4.4 요약 및 결론..................................................................................65
• 5. 결 론 (Conclusion).........................................................................66
• 참고문헌(References)........................................................................68
• Biographical sketch...........................................................................73
• 그림 목차(List of Figures)
• Fig. 2-1 Generation of plasma sheath. (a) Density, potential and electric field of ions and electrons before generation of plasma sheath. (b) Density, potential and electric field of ions and electrons after generation of plasma sheath. (c) The shape of plasma sheath in plasma chamber..........................................17
• Fig. 2-2 Basic etching mechanism (a) Generation of etchant species (b) Diffusion to surface and adsorption (c) Reaction (d) Desorption (e) Diffusion into bulk gas...........................................................................................22
• Fig. 2-3 Schematics of plasma system. (a) CCP (Capacitively coupled plasma) system. (b) ICP (Inductively coupled plasma system) (c) ECR (Electron Cyclotron Resonance) system....................................................................25
• Fig. 3-1 Pictures of used equipment for this experimental (a) CCP(Capaciticvely coupled plasma) system (b) Alpha-step (Surface profiler) (c) Spin coater (d) OES (Optical Emission Spectroscopy) (e) Contact Aligner (f) FE-SEM(Field Emission Scanning Electron Microscope)..................................................................31
• Fig. 3-2 Etch rate of GaAs as a function of % N2 in BCl3/N2. (Total gas flow rate was 20 sccm.)..............................................................................33
• Fig. 3-3 Etch rate selectivity of GaAs over photoresist as a function of % N2 in BCl3/N2 ................................................................................35
• Fig. 3-4 RMS roughness of GaAs as a function of % N2 in BCl3/N2..............37
• Fig. 3-5 Etch rate of GaAs as a function of RIE chuck power at gas compositions12 sccm BCl3/ 8 sccm N2................................................39
• Fig. 3-6 Etch rate and -DC bias of GaAs as a function of chamber pressure (RIE chuck power : 150 W, Gas flow rates : 12 sccm BCl3/8 sccm N2) ......................................................................................40
• Fig. 3-7 Etching selectivity of GaAs over photoresist and -DC self bias as a function of chamber pressure.(RIE chuck power : 150 W, Gas flow rates : 12 sccm BCl3/8 sccm N2) .............................................................................42
• Fig. 3-8 A scanning electron microscopy photos of GaAs etched at (a) 16 sccm BCl3 / 4 sccm N2 and (b) 4 sccm BCl3/16 sccm N2 CCP plasma. RIE chuck power was 150 W and chamber pressure was 100 mTorr, respectively.............................................................................................44
• Fig. 4-1 A schematic of a multi-layers electrode RIE system.....................51
• Fig. 4-2 Etch rate of acrylic as a function of RIE chuck power in 16 sccm O2/4 sccm N2 plasma discharges................................................................54
• Fig. 4-3 1 sigma uniformity of acrylic as a function of RIE chuck power in 16 sccm O2/4 sccm N2 plasma discharges........................................................55
• Fig. 4-4 RMS(Root Mean Square) surface roughness of etched acrylic as a function of RIE chuck power in 16 sccm O2/4 sccm N2................................58
• Fig. 4-5 Etch rate of acrylic as a function of % O2 in O2/N2 plasma discharges at 100 W RIE chuck power.......................................................................59
• Fig. 4-6 RMS roughness of etched acrylic as a function of % O2 in O2/N2 plasma discharges at 100 W RIE chuck power. ..........................................61Fig. 4-7 Optical emission spectroscopy(OES) data of the RIE plasma taken at 16 sccm O2/ 4 sccm N2 and 100 W RIE chuck power..................................63
• Fig. 4-8 SEM image of an acrylic feature etched at 16 sccm O2/4 sccm N2 and 150 W RIE chuck power plasma discharge. The acrylic sample sat on the second layer from the bottom of the four layers electrode..........................64
• 표 목차 (List of Tables)
• Table 1-1. Characteristics of Si, Ge and GaAs. ( i : Indirect band gap, d : Direct band gap, D : Diamond structure, Z: Zincblende structure).................................2
• Table 2-1. The various types of low vacuum plasmas and values of plasma parameters..............................................................................................14
• Table 2-2. Wet etchants used in etching some selected electronic materials.................................................................................................20
• Table 2-3. Etch Gases used for various electronic materials........................26