전북대 반도체물성연구소에서 공정 실습을 8/21(월)~8/25(금)동안 진행할 예정할 예정이다
앞으로 매일매일 갔다와서 내용 복기 겸 티스토리에 정리해 보려고 한다!
시외터미널 쪽에 숙소를 잡았는데 전북대 병원 안에 있는 연구소라 거리가 진심(...) 걸어가는 건 고사하고 아침에 일반자전거타고 가다가 찜통에서 쪄 죽을 뻔 했다. 중간에 택시타고 달려갔는데도 지각함 ㅠ
걱정보다 실습 일정이 널널해서 속으로 다행이라고 생각했음...
불과 며칠 전에 경북대에서 한 실습은 너무너무 몸이 힘들어가지고 1일차부터 몸살났다
11시 즈음에 안전교육 마치고 11시 30분부터 2시까지 점심시간 가졌다.
그리고 우리조가 처음으로 한 실습은 바로바로~~~~증착.
Deposition
박사님께서 박막 증착 공정에 대한 전반적인 설명을 해주셨다.
- CVD는 전구체 gas와 carrier gas를 동시에 다넣고 PVD는 gas를 순차적으로 넣는 차이가 존재
- ALD는 말그대로 정밀하게 조절하는 미세한 control의 장점이 있으나 시간이 오래 걸린다는 단점도 안고 있다.
- LPCVD는 고온공정으로 품질이 좋으나 metal은(녹는점이 낮은 Al같은) 녹아버린다. 반면 PECVD는 저온공정으로 etching, sputtering 등에 쓰인다.
PECVD 챔버 주변 구성 요소
- Purifier : 중합 공급 또는 크 내의 가스의 오염물 제거
- MFC: 공정 가스를 다수의 챔버에 분할, 공급하기 위해 가스 패널과 흐름을 제어하는 제어기 Rotary, Turbo 펌프 : 고진공 유지 및 내부 압력 제어 RE 제너레이터 : 플라즈마 발생, 고주파(13.56 MH2)RF 사용 RF Matching Network : 플라즈마를 안정적으로 유지(챔버내부와 발생 플라즈마 간 임피던스 정합 유지) ->값이 떨어져서 출력되는 것을 방지.
- Roughing 펌프 : 미반응 가스를 챔버 외부로 배출
- Scrubber : 가스의 유해 성분을 제거 (정화장치)
- Esc척 : 웨이퍼를 고정 및 플라즈마 발생을 위한 전극 인가, 온도 제어
- ShowerHead : 반응 가스를 챔버에 균일하게 공급하며 플라즈마 발생을 위한 전극 인가
- 장점
APCVD/LPCVD 대비 낮은 온도에서 박막 증착 가능
증착 속도 빠름
- 단점
LPCVD대비 불순물의 농도가 높고 Gap fil 특성이 안 좋음
Plasma는 왜 RF power로 뽑아낼까?
RF power는 교류(AC) 전압이다. 이는 전자를 움직이게 하여 충돌시키는데 이로 인해 chamber 내 gas가 분해된다.
이때 중성자, 이차전자, 이온 등이 튀어나오면서 플라즈마가 형성된다.
이는 PECVD의 경우로, RF power자체가 +와 - 방향이 바뀌게 만들어 끊임없이 움직이게 한다.(양이온은 진동만 함)
RI같은 경우는 양이온을 가속시키기 위해 DC power를 사용하나, 이때 발생하는 일방향 가속을 상쇄시켜줄 radical도 존재한다.
PECVD SiO2 Recipe
PECVD는 주로 절연박막을 증착할 때 사용되며, silan이나 SiN을 증착할 때도 사용된다.
우리는 SiH4(silan)과 N2O에 RF power를 가하여 화학반응시켜 Si wafer 위에 SiO2를 증착하는 실습을 진행했다.
그리고 RF power의 크기를 변수로 설정하여 두께의 변화를 관찰했다.
-압력 : 400mTorr
-온도 : 150도(기판의 온도가 높을수록 기판에서 반응이 잘됨)
-SiH4 : 14sccm
-N2O : 300sccm
-시간 : 60s
-RF power : 50/100/150W
일단 chamber는 main chamber와 load chamber가 있다.
main chamber는 거의 항상 진공을 유지하고, load쪽은 비교적 저진공이다.
PECVD의 과정
1) pumping : 펌프와 연결된 챔버의 진공을 잡는 것
2) venting : chamber door를 열어 상압으로 만드는 것
*main chamber venting : 밸브 2개 다 닫고 gate 열고 vent -> 챔버 내에 부산물 부착된 것 cleaning 가능
*main chamber 내에 gas 부산물이 쌓여있으면 이온이 쌓이거나 쇼트가 발생할 수 있으며 결론적으로 reflectance가 발생한다. 따라서 결론적으로 RF power의 변동이 발생해 deposition rate를 예측하기 힘들어진다.-> matching box로 해결한다.
3) purging : N2 gas를 밀어넣어 toxic한 잔류 가스를 pump로 빼내는 것
| 밸브 1(pump와 연결) | 밸브 2(vent할 수 있는 N2 gas와 연결) | |
| 1) pumping | O | X |
| 2) venting | X | O |
| 3) purging | O | O |
main chamber 내에 shower head에서 균일하게 뿜어져 나오는 gas가 차면 RF power를 가하여 화학반응을 시킨다.
step 1~5까지 있는데, 1,2는 반응을 위한 압력 안정화 과정, 3은 반응, 4,5는 purging 과정이다.
이때 400mTorr에서 350mTorr로 내리는데, 400일 때는 스로틀밸브를 많이 닫겨 저진공 상태가 되는데 이는 반응이 잘 되는 압력이다.
350으로 내리면 스로틀 밸브가 비교적 열려 있는 상태로 gas가 확 빠져나갈 수 있어 main chamber 내의 진공을 잡을 수 있다.
-load 내에 실리콘 웨이퍼 놓기
-load 닫고 load chamber 내에 진공 잡기(pumping)
-gate열고 시편 main chamber에 넣기
-main chamber 내에 shower head에서 gas를 균일하게 뿜어져 나오게 하기
-RF power를 가하여 화학반응 시키기
-main chamber 내에 purging 통해 잔여 gas 빼기
-main chamber, load chamber를 순차적으로 venting하여 시편 빼내기
step 3의 RF power 값만 변동을 주면 됐다. 나머지는 고정!
변수 설정
일반적으로 박막의 두께를 결정하는 변수는 증착 시간이다.
증착 후 띄는 색깔은 주로 박막의 두께와 막질이 결정한다.
RF power라는 변수는 주로 막질을 결정하는데, power가 세면 plasma가 많이 형성되어 이는 증착 속도를 증가시키고 결정적으로 두께에도 영향을 주게 된다. 하지만 power의 크기에 따라 두께가 증가한다는 보장은 할 수 없다.
따라서 우리는 RF power를 두께의 변수로 설정했다.
참고로 N2 gas는 희석시키거나 plasma density를 높이는 용도로 사용된다.
가정 : RF power는 두께에 영향을 미칠까?
Ellipsometer - 두께 측정
ellipsometer는 Si bare wafer를 이용해 calibration한 후, 그 두께와 증착된 wafer의 두께를 비교하여 박막의 두께를 측정하는 기기다.
측정기기 내에 저장되어 있는 이상적인 두께 data를 가지고 rough하게 예측한 두께값을 넣어 ideal graph와의 보정(fitting)을 통해 추정된 두께를 구하는데, 이는 델타와 프사이 값을 구하여 굴절률 차이를 이용한 수식으로 구할 수 있다.
장점 : 빠르다, 비파괴검사
이때, 장치가 정상작동되지 않을 수 있으므로 표준시료인 CRM을 가지고 두께를 확인하는데, 이는 221nm이다.(기기는 옴스트롱단위)
-intensity를 확인했을 때 과하거나 부족하지 않은, 1/3 이하 정도이면 측정을 실행한다.
-Si, SiO2, air를 입력하여 SiO2의 예상두께값을 입력한다. 이때 Dep. rate은 1.3nm/sec at 50W이다.
-추정된 값을 통해 측정된 두께와 이상적인 두께의 델타, 프사이 그래프를 비교한다.
-Fitting을 통해 값을 보정한다.(rough하게 측정값을 대입해야 하는 이유)
가정 : RF power가 50/100/150W일 때 각각 SiO2의 두께를 780Å, 1170Å(1560Å), 1560Å로 추정
RF power의 크기에 비례하여 두께가 증가할 것이다.
| 설정 RF power | 50W | 100W | 150W |
| 예상 두께 | 780Å | 1560Å->1170Å | 1560Å |
| 실제 두께(오차) | 823Å(43Å) | 1169Å(1Å) | 1380Å(180Å) |
=>결과 : Dep. rate의 증가폭이 감소하면서 증가한다.
=>두께는 시간으로 조절해야 하며, RF power를 계속 증가시킬 경우, 오히려 Dep. rate이 감소할 수도 있다.
∴ 원하는 특성에 맞춰서 Recipe를 만들어야 한다.
ex) RF power를 높이면 표면에 damage가 발생하여 막질이 안좋아진다고 볼 수도 있으나, 박막 density도 증가하여 막질이 좋아진다고 볼 수도 있다.
*Alpha Step : 파괴검사, 단차 필요(etching 후 PR 두께 측정)
<->ellipsometer : 전체 두께 측정
마치고 숙소가서 비비큐 황금올리브 시켜먹었다.
첫날치고 무난하게 한 듯? 양군도 멀쩡해보였다.(경북대가 진짜 헬이었는데...)
확실히 팹에서 앉아있을 수 있으니까 너무 좋음
근데 내부가 2기압이라서 그런지 피로는 쌓여서 밤에 잠이 잘온다.
마스크걸 죤 잼 ㄷㄷ
1일차 끝!