안녕하세요, 송송입니다. 드디어! 드디어 플라즈마 식각 기술에 관한 플라즈마 관련 내용이 마무리 되는 시간이 왔습니다~ 물론 플라즈마 식각 기술 관련해서 더 깊은 지식을 전달 못드렸지만, 저희는 간단하게라도 알아보고 이해했다면, 그게 바로 가성비죠!
마지막 시간은 RF 플라즈마를 다뤘었지만, 빠진 부분에 대해 추가적으로 설명한 뒤, 반도체 8대 공정 중 5번째 공정!
증착 공정 관련해서 소개해드리겠습니다.... 가 아니고!!
* 식각과 관련해서는 최신 트랜드(?) ALE, 극저온 식각 등 다양한 기술들이 있습니다.. 그렇기 때문에 이 기술들이 대체 뭔지, 왜 쓰는지 한번 같이 알아보도록 하겠습니다.
저도 포기 하지 않을거에요. 여러분도 함께 갑시다.
1) 고주파를 왜 사용하는가?
- 직류 플라즈마에 경우, 음극이나 양극 두 전극 중의 한 전극이라도 절연체로 둘러싸여 있다면 회로에 전류가 흐르지 못하기 때문에 사용할 수 없음
- 전극 자체를 SiO2나 베스펠이라고 하는 고분자 물질인 폴리이미드 물질로 덮어 플라즈마 식각에서의 Contamination(오염 → 보통 콘타, 칸타 다양하게 불림) 방지의 목적으로 사용됨
- 플라즈마 식각에서 반응성 가스 주입 후, 이를 분해하여 반응성을 높인 가스와 반도체 물질간의 화합물을 만들어 식각하게 되는데 이 반응성 가스의 분해 효율을 높이는 목적으로 사용됨
- 국제통신위원회에서 다른 통신용 주파수와 혼돈되지 않도록, 플라즈마 공정용으로 13.56 MHz를 할당함
(이 주파수의 배수인 27.13, 40.68 MHz도 공정용 주파수라 할 수 있음. → 그러나 매우 위험하기 때문에 외부로 빠져나오지 못하도록 쉴딩을 완벽하게 해야함)
2) 유도 바이어스 전압(Self-bias voltage)
- 고주파 플라즈마 회로 내 축전기가 있는 경우 발생함
(축전기는 교류에서 저항이 -0에 가깝고 직류는 -∞에 가까움
!! 유도 바이어스는 이전 글에 간단히 설명해 놓았으니, 모르시는 분들은 참고해주세요 !!
2023.07.06 - [분류 전체보기] - 반도체 8대 공정 간단히 알아보기 part.4 @ 플라즈마 식각 장비
반도체 8대 공정 간단히 알아보기 part.4 @ 플라즈마 식각 장비
안녕하세요, 송송입니다. 이번 시간엔 플라즈마 식각 장비를 함께 간단히 알아보겠습니다. 사실 식각 장비의 경우 기업마다 고유의 노하우 기술을 담고 있기 때문에 모든 것을 설명할 수 없으니
ssongsong23.tistory.com
3) 고주파 방전의 효율
- DC 플라즈마에서는 음극 표면에서 방출되는 이차전자가 플라즈마 내 중성원자를 이온화 및 여기하는데 중요 에너지원으로 작용함
- RF 플라즈마는 plasma 내 전기장의 영향으로 전자가 진동하여 에너지를 얻음
!! RF플라즈마에서는 이차전자가 아니어도 플라즈마 발생 및 유지가 가능합니다.!!
* 장점 : RF 플라즈마에서는 절연체 식각 및 가스 이온화 효율적
고주파의 주파수 증가는 공정 압력을 감소시키고 이온화 및 분해 효율 증가
4) 고주파 플라즈마에서의 쉬쓰
- RF 플라즈마는 극이 양극/음극 한주기에 반복하므로 쉬쓰가 진동하게 됩니다.
→ 실제 육안으로 봤을때는 진동하는건 안보이구요, 쉬쓰의 평균치 두께로 보이게 됩니다 (약 1cm 정도?)
- 이 진동으로 전극으로 입사하는 이온의 에너지를 변화시킵니다.
5) 정합회로 (Matching network) → 보통 매칭박스라고도 불립니다.
목적 : 1) 플라즈마 회로의 임피던스(Impedance)를 전력창치(powe supply)의 임피던스와 통일시키기 위한 목적
2) 이는 고주파 전력장치(RF generator)를 보호하고 power supply로부터 보낸 전력을 플라즈마 내로 전달하기 위한
목적
특징 : 1) 전력을 가하는 전극 주변에 설치함
2) 대부분의 Matching box 내에는 축전기가 전극에 직렬로 구성되어 있음
* 대분분의 경우 RF generator의 출력 임피던스는 50 Ω 입니다.
따라서 Matching box를 사용하여 Matching box + 플라즈마 자체 임피던스 = 50 Ω으로 만들죠.
Matching box와 플라즈마 사이에 많은 고주파 전류가 흐르기 때문에 서로 가까이에 위치하여야 합니다.
RF 플라즈마를 사용하는 장비에 매칭박스가 없다!? 그냥 도망가세요. 농담입니다. 그럴리가 없죠..
저는 살면서 본적 없습니다. 여러분들도 평생 보지 않길 바랍니다..
6) 쉬쓰 내 전압 분포
- 고주파 플라즈마 발생시 각 전극의 쉬쓰에 발생하는 평균 전압이 전극면적비에 따라 변화합니다.
(고주파에서는 쉬쓰가 진동한다고 얘기했죠? 그 이야기입니다)
▶ 전극에 최대 (-) 전압이 걸릴 경우
: 전력을 가한 전극 : 음극, 접지 전극 : 양극
: 전극에 가한 전압이 모두 전극의 쉬쓰에 걸리게 되며, 직류 플라즈마와 유사한 형태로 전위가 최소(Vp min)가 됩니다.
▶ 반대로 전극에 최대 (+) 전압이 걸릴 경우
: 전력을 가한 전극 : 양극 접지 전극 : 음극
: 플라즈마는 양극의 전압보다 높고 접지전극의 전압보다 높음
: 이떄의 플라즈마가 지니는 순간전위가 최대(Vp max)가 됩니다.
▶ 고주파 전력을 인가하게 되면, 전극의 전압 뿐만 아니라 플라즈마 자체의 전위도 진동하게 되는데요,
평균치로 본다면
전력 전극 : 쉬쓰 전압 = V1 = Vdc + vp ave (직류바이어스 전압 + 평균 플라즈마 전위)
접지 전극 : 쉬쓰 전압 = V2 = Vp ave(플라즈마 전위)
- 쉬쓰 내 전압 분포에서 이들 전압의 비율은 상호 전극의 면적비에 의존하게 됩니다.
* 두 전극의 쉬쓰에 걸리는 전압의 비율이 면접비에 반비례하게 되는데요, 예를 들어 보겠습니다.
ex) 전극의 면적 (A1)이 상대적으로 접지 전극의 면적 (A2) 보다 작을 경우 → 더 큰 쉬쓰 전압이 걸리게 됩니다.
- 고주파 전력이 인가될떄
전자 전류 : 전자 이동도가 빠르기 때문에 전극의 면적과 무관하게 요구되는 전류를 흘릴 수 있습니다.
이온 전류 : 이동도가 느리기 때문에 전극의 면적에 따라 변할 수 있습니다.
!! 자 그럼, 어려운 말을 써놨는데, 아래 그림으로 이해해보겠습니다 !!
그림으로도 이해가 안가신다면 여기까지 읽어보시죠.
고주파는 초당 매우 빠른 속도로 (-) / (+) 로 바뀐다고 했습니다. 그런데 접지 전극의 면적이 더 클 경우에는 면적이 작은 공간에 전자가 많이 당겨지겠죠.(양 전하가 인가되었을때) 그럼 당연히 이온이 전자를 보고 더 많이 당겨져 갈겁니다. 이온이 많이 당겨졌어? 아니 그럼 전자도 또 많이 당겨지겠지.. 아니! 전자가 더 많잖아? 이온은 참지 않고 달려갑니다. 이렇게 전극의 면적이 작아짐에 따라 DC bias가 더 잘 생기는 이유입니다.
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네. 플라즈마 식각 기술을 여기서 마치도록 하겠습니다. 너무 재밌고, 더 공부해보고 싶다 생각하시면 책을 구매해서 공부해보세요!
여기서는 수식도 일부러 많이 안썼지만, 실제로는 수식에 대한 이해도 필요합니다. 수식을 이해해야 자연스럽게 내용이 이해갑니다.
여기까지 오느라 고생많으셨습니다.
이젠 책의 이론적 내용보다 재밌는 것들로 찾아올게요.
다음 시간은 나름 트렌드 식각 기술인 ALE 및 극저온 식각에 대해 알아볼게요~