플라즈마 에칭이란?
https://en.wikipedia.org/wiki/Plasma_etching#Plasma_etcher
플라즈마 에칭은 집적회로를 제조하는 데 사용되는 플라즈마 가공 형태이다. 이는 적절한 가스 혼합물의 글로우 방전(플라즈마)의 고속 스트림이 샘플에 (펄스로) 분사되는 것을 포함한다. 플라즈마 소스(에칭 종)는 전하를 띤 입자(이온) 또는 중성 입자(원자와 라디칼)일 수 있다. 이 과정에서 플라즈마는 실온에서 에칭된 물질의 원소와 플라즈마에 의해 생성된 반응성 종 사이의 화학 반응으로부터 휘발성 에칭 생성물을 생성한다. 결국 분사된 원소의 원자는 표적 표면에 또는 표면 바로 아래에 자신을 끼워 넣어 표적의 물리적 특성을 변화시킨다.
메커니즘
플라즈마 생성
플라즈마는 많은 과정이 일어날 수 있는 고에너지 상태이다. 이러한 과정은 전자와 원자 때문에 발생한다. 플라즈마를 형성하려면 전자가 에너지를 획득하기 위해 가속되어야 한다. 고에너지 전자는 충돌에 의해 원자에 에너지를 전달한다. 이러한 충돌로 인해 세 가지 다른 과정이 발생할 수 있다.
- 여기
- 해리
- 이온화
플라즈마 내에는 전자, 이온, 라디칼 및 중성 입자와 같은 다양한 종이 존재한다. 이러한 종들은 서로 지속적으로 상호작용한다. 플라즈마 에칭 중에는 두 가지 과정이 일어난다.
- 화학종 생성
- 주변 표면과의 상호작용
플라즈마가 없으면 이러한 모든 과정은 더 높은 온도에서 발생할 것이다. 플라즈마 화학을 변화시켜 다양한 플라즈마 에칭 또는 플라즈마 증착을 얻을 수 있는 방법이 있다. 플라즈마를 형성하는 한 가지 방법은 13.56 MHz의 RF 여기 전원을 사용하는 것이다.
플라즈마 시스템의 작동 모드는 작동 압력이 변하면 변화한다. 또한 반응 챔버의 구조에 따라 다르다. 단순한 경우 전극 구조는 대칭이며 샘플은 접지된 전극 위에 놓인다.
공정에 대한 영향
성공적인 복잡한 에칭 공정을 개발하는 열쇠는 에칭될 물질과 휘발성 생성물을 형성할 적절한 가스 에칭 화학을 찾는 것이다(표 1 참조). 일부 난해한 재료(예: 자성 재료)의 경우 웨이퍼 온도를 높여야만 휘발성을 얻을 수 있다. 플라즈마 공정에 영향을 미치는 주요 요인은 다음과 같다.
- 전자 소스
- 압력
- 가스 종류
- 진공
표면 상호작용
생성물의 반응은 이종 원자, 광자 또는 라디칼이 화학 화합물을 형성할 가능성에 따라 달라진다. 표면의 온도 또한 생성물의 반응에 영향을 미친다. 흡착은 물질이 응축 층으로 모여 표면에 도달할 수 있을 때 발생하며, 그 두께는 다양하다(일반적으로 박막 산화층). 휘발성 생성물은 플라즈마 상에서 탈착되어 물질이 샘플의 벽과 상호작용할 때 플라즈마 에칭 공정을 돕는다. 생성물이 휘발성이 아니라면 물질 표면에 박막이 형성될 것이다. 플라즈마 에칭 능력에 영향을 미치는 다양한 원리는 다음과 같다.
- 휘발성
- 흡착
- 화학 친화력
- 이온 폭격
- 스퍼터링
플라즈마 에칭은 표면 접촉각을 친수성에서 소수성으로 또는 그 반대로 변화시킬 수 있다. 아르곤 플라즈마 에칭은 접촉각을 52도에서 68도로 증가시켰다고 보고되었으며, 골 플레이트 응용을 위한 CFRP 복합재료의 경우 산소 플라즈마 에칭으로 접촉각이 52도에서 19도로 감소했다. 플라즈마 에칭으로 금속의 표면 거칠기가 수백 nm에서 3nm 이하로 낮아진 것으로 보고되었다.
유형
압력은 플라즈마 에칭 공정에 영향을 미친다. 플라즈마 에칭이 일어나려면 챔버가 100 Pa 미만의 저압 상태여야 한다. 저압 플라즈마를 생성하려면 가스를 이온화해야 한다. 이온화는 글로우 방전에 의해 발생한다. 이러한 여기는 외부 소스에 의해 발생하며, 최대 30kW의 전력과 50Hz(DC)에서 5-10Hz(펄스 DC), 라디오 및 마이크로웨이브 주파수(MHz-GHz)까지의 주파수를 제공할 수 있다.
마이크로웨이브 플라즈마 에칭
마이크로웨이브 에칭은 마이크로웨이브 주파수, 즉 MHz에서 GHz 사이의 여기 소스를 사용한다. 플라즈마 에칭의 한 예는 다음과 같다.
수소 플라즈마 에칭
가스를 플라즈마 에칭에 사용하는 한 가지 형태는 수소 플라즈마 에칭이다. 따라서 다음과 같은 실험 장치를 사용할 수 있다.
Plasma etcher
플라즈마 에처(Plasma Etcher) 또는 에칭 툴은 반도체 소자 생산에 사용되는 툴이다. 플라즈마 에처는 일반적으로 13.56MHz의 고주파 전기장을 사용하여 공정 가스(일반적으로 산소 또는 불소 가스)로부터 플라즈마를 생성한다. 실리콘 웨이퍼를 플라즈마 에처에 넣고 진공 펌프 시스템을 사용하여 공정 챔버에서 공기를 배출한다. 그런 다음 저압의 공정 가스를 주입하고 유전체 붕괴를 통해 플라즈마로 여기시킨다.
플라즈마 구속
산업용 플라즈마 에처는 종종 RF(radio frequency) 플라즈마에서 반복 가능한 에칭 속도와 정밀한 공간 분포를 가능하게 하는 플라즈마 구속 기능을 갖추고 있다. 플라즈마를 구속하는 한 가지 방법은 다른 유체의 이중층과 유사한 플라즈마 내 근표면층인 Debye 시스현상을 이용하는 것이다. 예를 들어, 슬롯이 있는 석영 부품의 Debye 시스 길이가 슬롯 폭의 최소 절반인 경우, 시스가 슬롯을 차단하여 플라즈마를 구속하지만 전하를 띠지 않은 입자는 여전히 슬롯을 통과할 수 있다.
응용 분야
플라즈마 에칭은 현재 전자 제품 제조를 위해 반도체 재료를 가공하는 데 사용된다. 전자 소자에 사용될 때 효율성을 높이거나 특정 특성을 향상시키기 위해 반도체 재료 표면에 미세 구조를 에칭할 수 있다. 예를 들어 플라즈마 에칭을 사용하여 실리콘 표면에 깊은 트렌치를 만들어 마이크로전자기계시스템에 사용할 수 있다. 이 응용 프로그램은 플라즈마 에칭이 마이크로전자 생산에서도 주요 역할을 할 수 있는 잠재력이 있음을 시사한다. 마찬가지로 이 공정을 나노미터 스케일로 조정하는 방법에 대한 연구가 현재 진행 중이다.
특히 수소 플라즈마 에칭은 다른 흥미로운 응용 분야가 있다. 반도체 에칭 공정에 사용될 때 수소 플라즈마 에칭은 표면에 존재하는 자연 산화막의 일부를 효과적으로 제거할 수 있음이 입증되었다. 수소 플라즈마 에칭은 또한 깨끗하고 화학적으로 균형 잡힌 표면을 남기는 경향이 있어 여러 응용 분야에 이상적이다.
산소 플라즈마 에칭은 유도 결합 플라즈마/반응성 이온 에칭(ICP/RIE) 반응기에서 고바이어스를 적용하여 다이아몬드 나노구조의 이방성 깊은 에칭에 사용할 수 있다. 반면에 0V 바이어스 산소 플라즈마는 C-H로 종료된 다이아몬드 표면의 등방성 표면 종료에 사용될 수 있다.
집적 회로
플라즈마를 사용하여 실리콘 웨이퍼 위에 실리콘 산화막을 성장시킬 수 있으며(산소 플라즈마 사용), 또는 불소 가스를 사용하여 실리콘 산화물을 제거할 수 있다. 포토리소그래피와 함께 사용하면 실리콘 산화물을 선택적으로 적용하거나 제거하여 회로 경로를 형성할 수 있다.
집적회로를 형성하려면 다양한 층을 구조화해야 한다. 이는 플라즈마 에처를 사용하여 수행할 수 있다. 에칭 전에 감광제가 표면에 증착되고, 마스크를 통해 조사되며, 현상된다. 그런 다음 건식 에칭이 수행되어 구조화된 에칭이 이루어진다. 공정 후에는 남아있는 감광제를 제거해야 하며, 이는 애셔라고 불리는 특수 플라즈마 에처에서 수행된다.
건식 에칭을 통해 실리콘 및 III-V 반도체 기술에 사용되는 모든 재료를 균일하고 재현 가능하게 에칭할 수 있다. 유도 결합 플라즈마/반응성 이온 에칭(ICP/RIE)을 사용하면 다이아몬드와 같은 매우 단단한 재료도 나노구조화할 수 있다.
플라즈마 에처는 또한 고장 분석에서 집적회로의 딜레이어링에 사용된다.
인쇄 회로 기판
플라즈마는 비아 디스미어를 포함한 인쇄 회로 기판 에칭에 사용된다.
관련 항목
- 플라즈마 클리닝
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