3일차였던 수요일에는 비가 살짝 왔었는데, 5일차인 오늘은 하늘이 화창하고 구름이 이뻤다.
그치만 체력이 다 닳아서 집가고 싶었다...
Mesa-etching
우리가 오늘 진행한 것은 메사에칭, 즉 Dry etching이다. dry etching은 plasma를 이용한다.
플라즈마 발생방법과 발생 위치에 따른 분류는 다음과 같다.
▫︎ 다이렉트 플라즈마 소스 (Direct plasma source)->plasma와 etching 동시에 진행
-배럴형 (Barrel type)
-평판형 (Planar type)
▫︎ 리모트 플라즈마 소스 (Remote plasma source)->plasma와 etching 따로 진행
-마이크로웨이브 플라즈마 소스 (microwave plasma)
-원환체형 RF 플라즈마 소스 (Toroidal RF powered plasma)
우리가 사용할 플라즈마는 다이렉트 플라즈마 소스이다. 이 플라즈마를 또 나눌 수 있는데
CCP(Capacitive-coupled plasma)와 ICP(Inductively-coupled plasma)이다.
CCP의 경우는 균일한 plasma를 만들 수 있지만 plasma sheath로 인하여 파워전달에 효율이 낮다.
ICP는 전극이 따로 필요없고, 파워전달의 효율이 높아 고밀도 플라즈마를 형성할 수 있다.
1. RIE (Reactive ion etching)
• 웨이퍼가 놓이는 전극에 RF전압을 인가
• 공정압력을 낮게 유지
• Plasma 양이온이 sheath를 통해 가속
• Planar 방식에 비해 이방성 식각 특성을 향상시킨 구조
• 낮은 플라즈마 밀도
2. TCP (Transformer coupled plasma) ->RIE+ICP
• 챔버 상부에 원형으로 코일 설치
• RF 파워 인가
• 코일을 흐르는 전류에 의해 플라즈마 내에도 inductance 성분유기
• 플레밍 왼손법칙에 따라 수직방향의 자계, 수평방향의 전계 형성
• Skin depth 내에 형성된 전계를 따라 전자가 회전운동 가속
3. ICP (Inductively coupled plasma)
• 챔버 측면에 코일
• 13.56MHZ의 RF 파워인가
• 고밀도 플라즈마 형성
• 식각 속도 우수
• 챔버 구조 간단
• 플라즈마가 넓고 이온을 가속시키지 않음 > 이온 충격에 의한 손상이 없음
아래사진은 우리가 사용할 장비인 ICP-RIE이다.
위의 사진을 보면 알다싶이, 고진공을 유지하는 main chamber와 저진공을 유지하는 load lock chamber가 있다.
저진공을 만들어내는 dry pump를 통해 load lock chamber를 저진공으로 만들고, main chamber와 연결되는 gate를 개방하고 난 후에는 TMP(Turbo Molecular Pump)를 통해 고진공을 만들어 낸다.
- 각 gas 밑에 쓰여있는 숫자들은 MFC(Mass Flow Controller)이다.
- TMP는 Threttle valve와 연결되어 가스의 유량에 의해 변하는 압력을 잡기위해 회전시켜 열거나 닫는 밸브이다. gas 유량이 많이 들어가는데 압력을 잡아야 하는 상황이면 threttle valve를 더 많이 열어(ex: 30% 연다.) 압력을 조절할 수 있다.
- vent를 하기 위해서는 앞서 배웠다 싶이 N2 gas를 사용하며, 뜨거워진 wafer의 온도를 식히기 위해서는 chiller로써 He를 사용한다.
실질적으로 etching을 하는 gas는 다음과 같은 종류가 있다.
- Si, SiO2->F gas
- GaN->Cl gas
건식식각 공정 영향 요인(변수)
: RF power, 가스 종류, 가스 유량, 공정 압력, 기판 온도, 공정 시간 등이 있다.
우리가 설정한 변수는 ICP power, Bias RF power와 Ar가스 유량이다.
ICP power은 plasma를 형성시키는 power이고, Bias RF power은 생성된 plasma를 아래로 가속시키는 power이다.
우리가 넣어주는 gas는 Ar와 CF4이다.
전자는 plasma 형성을 원활히 증폭시켜주기 위해 넣어주는 것이고, 후자가 Si 종류 물질을 식각하는 gas이다.
우리가 식각할 sample은 전날 lithography로 PR coating한 wafer이다.
이 위를 식각하면 Si이 깎여나갈 것이다.
아래와 같이 레시피가 있는데, 우리가 조절할 변수를 숫자를 바꿔가며 조정하면 된다.
조절할 변수 이외에 압력이나 시간 같은 변수는 고정시켰다.
직접 시편을 loading하여 실습을 진행했다.
아래가 우리의 시편이다.
자주빛을 띄는 plasma가 희미하게 창 너머로 보이는 모습이다.
이렇게 etching하고 나면 뭔가 패턴이 보이긴 하는데, 뚜렷하게 보이진 않는다.
여기서 PR을 제거해주어야 완성된다.
Wet station-PR strip
wet etching과 마찬가지로, 아세톤 1min->메탄올->DI water의 과정을 거쳐야 하나,
어짜피 두께를 재야하므로 아세톤 후 바로 DI water로 씻어내는 과정을 했다.
이건 처음에 아무 변수를 건들지 않고 진행한 시편이다.
alpha step을 통해 두께를 측정한다.
우리가 조절한 변수를 표로 나타내면 이러하다.
|
CF4 gas
|
40sccm
|
40sccm
|
40sccm
|
40sccm
|
|
Ar gas
|
15sccm
|
30sccm
|
15sccm
|
15sccm
|
|
Pressure
|
10mTorr
|
10mTorr
|
10mTorr
|
10mTorr
|
|
ICP RF
|
120W
|
120W
|
180W
|
120W
|
|
Bias RF
|
60W
|
60W
|
60W
|
40W
|
|
time
|
100s
|
100s
|
100s
|
100s
|
|
Etching
|
136nm
|
141nm
|
172nm
|
121nm
|
이에 대한 결과는 왼쪽부터 1, 2, 3번으로 밑에서 설명하겠다.
이건 1번째인 ICP power를 120W->180W로 변경한 시편이다.
그렇게 씻겨냈는데 아세톤을 1분동안 했는데도 PR이 벗겨나가질 않는 것이다..!
그래서 1분을 더 담구고, 아세톤 분무기로 적셔줬는데도 벗겨지지 않았다.
연구원 분 말씀으로는 ICP power가 너무 세서 burning 현상이 발생한 것 같다고 했다.
이런 상황에서는 PR을 벗겨내기 위해서 sonic station에서 아세톤으로 지우거나, PR asher로 지워야한다고 말씀하셨다.
1번째 시편의 두께를 측정했다.
2번째 시편부터는 burning 현상이 발생하지 않았다. 2번째는 Ar gas 유량을 15sccm->30sccm으로 증가시켰다.
아래는 3번째 시편! 이 경우에서는 Bias RF power를 60W->40W로 변경했다.
이러한 결과를 통해 우리가 유추할 수 있는 내용은 다음과 같다.
- plasma를 형성하는데 촉진하는 역할인 Ar gas를 더 넣어주게 되면 식각두께가 증가한다. 이때 O2 gas를 같이 넣어주면 μm 단위로 식각 두께가 증가한다고 연구원 분이 알려주셨다.
- ICP power를 증가시키면 식각두께가 증가한다. 하지만 시편이 타는 현상인 burning 현상이 생길 위험이 있다.
- Bias RF power를 감소시키면 식각두께가 감소한다.
참고로 식각 gas인 CF4는 이 chamber에서 40sccm이 maximum값이었다고 한다. 그래서 아마 이 값을 높여도 식각 두께에 큰 변화는 없었을 거라고 하셨다.
이렇게 건식식각 끝!
~이어서~