Plasma in general RIE에서 O2역할이 궁금합니다
2021.03.31 05:00
안녕하세요 교수님. 플라즈마 식각에 대해 공부하던중 이 사이트를 보게되었고 궁금한 것이 생겨 질문드리게 되었습니다.
SF6, CF4 based process에서 O2의 역할이
1. Reaction with SFn and CFn- -fluorine concentration
2. Reaction with resist-sidewall polymer formation
3. Increase in the resist etch rate
이라고 배웠습니다.
먼저 1번의 fluorine concentration의 의미에 대해 여쭤보고 싶습니다. 산소가 C혹은 F와 어떤 반응을 일으켜 F의 농도를 조절하는 것인지 궁금합니다.
2번의 sidewall polymer formation에서는 산소가 polymer를 직접적인 원소가 되는지, 아니면 C나 S, F가 polymer을 형성하는데에 도움을 주는건지 궁금합니다.
마지막으로 3번의 etch rate를 향상시키는 이유를 블로그에서 찾아봤습니다. 산소가 F*와 결합, 분해를 반복하며 F*의 recombination을 방지하여 F*농도를 유지하게 해주기 때문에 etch rate가 증가한다.' 라고 하는데 이 이유가 맞는지 여쭤보고싶습니다.
교수님께서 쓰신 아래의 댓글과 연관시켜 생각해보려했는데 쉽지가 않아서 질문드렸습니다.
((상황 해석에는 장치 구조와 flow 해석 등이 포함되어야 하겠습니다만, 일단 Ar 과 O2의 플라즈마 생성 기전의 차이를 참고해 보세요.
Ar은 Ar+e --> Ar+ + 2e 및 Ar+e--> Ar* ==? Ar*+e--> Ar+ + 2e 의 step ionization 으로 metastable을 거쳐서 이온화되는 과정이 활발하여 플라즈마를 만들기가 쉽습니다. 하지만 O2의 경우에는 O2 의 이온화, 및 dissociation을 통한 O2+e -->O+O+e--> O+O+ +2e 의 dissociative ionization 즉 해리과정을 거치 후에 라디컬 만들면서 이온화 되는 경향도 큽니다. 여기에는 해리에 전자 에너지 소모가 커지게 됩니다. 더욱 방전을 방해하는 요인으로 O는 전자 친화도가 커가 O- 음이온을 만들기도 하여 가속될 전자들이 줄어드는 효과까지 있으니, 산소는 플라즈마 방전에 에너지를 더 필요로 합니다. 따라서 Ar 기반에 산소를 첨가해서 방전을 안정적으로 유지하기도 하는 까닭이 있습니다. 산소는 화학반응력이 크기 써야 하겠고, 플라즈마를 안정적으로 쓰려면 Ar를 첨가하거나 분율을 맞추어 주는 방법입니다. 분율의 절대값은 장치 특성에 따르니 몇 번의 자료를 얻으면 범위를 찾을 수가 있고, 굳이 이론적으로 해석할 가치는 없을 것 같습니다. ))
읽어주셔서 감사합니다!!
댓글 4
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김곤호
2021.03.31 13:50
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백소영
2021.03.31 16:42
답변 감사합니다! 방금 찾아보니
CF4/O2 에칭에서
CF3 + O -> COF2 + F -> CO + 2F 라는 화학반응을 통해 초기에는 O2를 넣어줌에 따라 F농도와 함께 에칭 속도가 증가하는 것을 알게되었습니다.
그런데 산소 농도가 23% 이상이 되면 희석으로 F농도가 감소한다고 하는데 이때 희석이 된다는 것이 무슨 뜻인지, 어떤 반응이 일어나는 것인지 모르겠습니다.ㅜㅜ 답변 부탁드립니다..!
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김곤호
2021.04.03 10:27
반응식을 정리해 보시면 좋겠어요. 특히 F와 O가 결합하는 반응 조건 및 SI과 반응에서 O/ F의 결합 반응을 선택합니다. 이들의 rate constant 들 모으는데, O와 F는 플라즈마 내에서 해리 반응으로 생성되고 있음을 고려합니다. 표면 반응의 표면 온도이고 나머지 공간에서의 입자 간의 반응에서 온도는 모두 플라즈마 전자 온도를 의미합니다.
따라서 플라즈마 전자 온도의 변화 관찰이 필요하며, 좀 더 적극적으로 관리하려면 전자 온도 + 전자 에너지 분포 함수 (EEDF)의 형태 변화에 주목할 수 있어야 좋습니다. (전자 온도 분포 함수의 개념을 찾아 보시기를 추천합니다.)
문제는 O/F의 비율이 다르면 플라즈마 가열이 바뀌고 --> 전자 온도 변동 과 O/F 라디컬이 모두 음이온 O- 와 F- 를 만들어 낮은 에너지 전자 (electron attachment) 가 커져 낮은 에너지 전자들이 에너지 가속을 받기가 힘들어 지고, mole 비에 따른 입자들과 전자의 충돌비도 바뀌면서 플라즈가 가열 효율도 변화가 생깁니다. 이는 고에너지 전자 군을 바꾸게 됩니다. 결론으로 전자 흡착 입자들의 mole 비 변화는 플라즈마 온도 분포 변화를 민감하게 만들고 이는 rate constant에도 영향을 미치면서 특정 공정 상태를 만들게 됩니다. 따라서 상기한 비율 농도 조건은 플라즈마 장치 전력과 (가열메카니즘)과 운전 압력에 따라서 바뀔 수 있음을 참고하시고 이론적인 값의 의미는 플라즈마-입자 반응 균형식을 통해서 유추가 가능할 것 같습니다. (입자 반응 균형식의 사레 들은 공정플라즈마 공학-산소 및 식각공정 편)에 잘 나와 있습니다.
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백소영
2021.04.03 19:34
답변 감사합니다!! 반응식을 더 찾아보도록 하겠습니다.
좋은 하루되세요!
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좋은 질문입니다. 아마도 RIE 공정에서 O2의 역할을 궁금해 하시는 것 같습니다.
아래 답변은 저희 공정 플라즈마 장비물리 관점의 답변으로 이해하시면 좋습니다. 대부분의 공정, 예를 들어서 RIE 공정 등을 해석할 때, 이를 종합해서 플라즈마-화학공정으로 정의하며, 여기에는 장비 플라즈마가 화학 공정을 진작하게 하는 기전(mechanism) 제어 인자를 찾아서 공정을 제어하는 전략과 공정 자체에 최적화된 화학반응을 제어해서 표면 반응을 제어하는 공정과의 조합을 통해서 최적의 공정을 찾는 순서로 생각해 보면 좋습니다
일련의 과정은 전하 (전자)와의 입자 충돌 및 입자간의 충돌로서 학술적으로 반응식이 많이 나와 있으며, 이들 반응식에서 플라즈마 운전 관점에서 관심있게 살펴야 할 것이 다양한 충돌 반응의 반응계수, rate constant (플라즈마 전자 온도 함수)입니다. 이를 조사하고 반응식을 유추하면 해당 공정에서 반응경로를 파악하는데 도움이 될 것입니다. 아울러 반응계수의 온도 및 반응률에 대한 이해는 RIE 플라즈마 조건을 역추적할 수 있는 근거로 활용할 수 있게 됩니다. 다만, 앞에서 설명과 같이 먼저 표면 반응 및 공간내의 화학 반응등을 조사해 보시고, 이 조건에 필요한 플라즈마 밀도와 온도 특성을 예상해서 플라즈마 소스 특성과 연결을 하면 전체 공정 제어의 흐름을 확인하실 수 있겠습니다. 따라서 산소와의 반응 (타킷 공정내의 공정 가스 배제 및 추가 조건) 계수 들을 O2/CF4 혹은 O2/SF6 조건에서 연구한 자료들을 찾아 보시기를 추천합니다.