• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2016년도 제50회 동계 정기학술대회 초록집
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• pp.303.2-303.2
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• 2016

현재 플라즈마를 이용한 기술은 반도체, 태양광 발전, 디스플레이 등 산업의 전반적인 분야에서 특히 반도체 공정을 이용한 산업에서는 핵심적인 기술이다. 반도체 공정 중에서 박막 증착과 식각 분야에서 플라즈마를 사용한 기술은 매우 높은 가치를 지니고 있다. 중요한 플라즈마 연구로는 이론적 접근을 통한 플라즈마 소스 개발과, 기 개발된 플라즈마 소스를 적용하여 반도체 공정에 적용함으로써 최적의 조건을 찾아내며, 그에 대한 메커니즘을 연구하는 분야로 크게 분리할 수 있다. 따라서 이러한 플라즈마 기술이 발달함에 따라 nano-scale의 연구 또한 상당히 중요한 부분으로 자리 잡고 있다. 본 실험에서는 RF magnetron sputter를 사용하고 질소 유량을 0.5 sccm으로 고정하여 AlN 박막을 증착하였다. 이후 상압 플라즈마를 이용하여 식각을 진행하였다. AlN 박막 전체 표면에 대하여 3초 및 6초간 식각을 진행하였다. 이후 Nano-Indenter를 사용하여 $100{\sim}7000{\mu}N$까지 힘을 증가시키며 측정하였다. 3초간 식각을 진행한 시료의 경우 압입 깊이 대비 Hardness 그래프에서 약 40 ~ 100 nm 까지 약 2.5 GPa 정도의 차이가 발생하였고 6초간 식각을 진행한 시료의 경우 압입 깊이 대비 Hardness의 그래프에서 약 40 ~ 130 nm 까지 약 1 GPa 정도의 차이가 발생함을 확인하였다. 이후 WET-SPM 장비를 사용하여 AFM 모드를 이용하여 박막 표면이 거칠기를 확인하였다. 플라즈마 식각공정을 거치지 않은 시료의 경우 박막의 거칠기는 7.77 nm로 측정되었고 3초간 플라즈마 식각공정을 거친 시료의 경우 6.53 nm, 6초간 플라즈마 식각공정을 거친 시료의 경우 8.45 nm로 나타남을 확인할 수 있었다. 이와 같은 결과들로부터 플라즈마 식각공정은 박막의 표면에도 영향을 미치지만 박막 내부 일정 부분까지 영향을 받는 것을 확인하였다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2009년도 제38회 동계학술대회 초록집
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• pp.479-479
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• 2010

현재까지 대부분의 반도체 공정이나 LCD 공정에 사용되는 플라즈마는 진공 플라즈마이다. 이는 대기압에서의 플라즈마 발생의 어려움, 공정 품질 등이 원인이기도 하다. 그러나 진공 장비의 고가 및 진공 시스템 부피의 거대화 등의 많은 단점이 있다. 현재의 진공 플라즈마공정을 대기압 플라즈마 공정으로 대체 할 수 있다면 많은 경제적인 이득을 얻을 수 있을 것이다. 본 연구실에서 개발한 직류아크 플라즈마트론은 기존의 대기압 플라즈마 장치에 비해 수명이 길고, 광학적으로 깨끗하고, 활성도가 높은 플라즈마를 얻을 수 있는 장점이 있다. 직류아크 플라즈마트론의 식각공정에 적용을 위해 플라즈마트론을 저 진공 및 대기압에서 적용하여 실험하였다. 식각 가스로는 SF6를 사용하였고, Ar과 O2를 혼합하여 플라즈마트론의 음극 보호 및 식각률을 높이도록 하였다. 실험결과 저진공 플라즈마의 경우, 플라즈마 영역이 20 cm를 넘는 반면, 대기압에서는 플라즈마 유효 길이가 약 20 mm로 매우 짧았다. 하지만 저 진공(~ 3 mbar)에 적용하여 최대 $60\;{\mu}m/min$의 식각률을 보였고, 대기압 플라즈마의 경우 $300\;{\mu}m/min$ 넘는 식각률을 달성하였다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2015년도 제49회 하계 정기학술대회 초록집
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• pp.177.1-177.1
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• 2015

플라즈마 건식 식각공정은 반도체 공정에 있어 증착 및 세정 공정과 함께 중요한 공정중 하나이다. 기존 연구에서는 높은 식각 속도, 종횡비, 대면적에 대한 균일도 증가를 위하여 플라즈마 이온 밀도의 증가와 전자 온도를 감소시키기 위한 노력을 하고 있으며 플라즈마 식각분석 연구에서는 분광학 분석 기법을 활용하여 플라즈마에 의하여 활성화된 식각 가스와 박막 표면의 반응 메커니즘 연구가 진행 중에 있다. 그러나 지금까지의 플라즈마 식각연구에서는 플라즈마 식각 공정에서 발생되는 박막의 damage에 대한 연구는 전무하다. 본 연구에서는 플라즈마 식각과정에서 발생되는 박막 표면의 damage 연구를 위하여 Nano-indenter에 의한 분석 기법을 제시하였다. Nano-indentation 기법은 박막 표면을 indenter tip으로 직접 인가하여 박막 표면의 기계적 특성을 분석하고 이를 통하여 플라즈마에 의한 박막 표면의 물성 변화를 정량적으로 측정한다. 실험에서 플라즈마 소스는 Adaptively Coupled Plasma (ACP)를 사용하였고 식각 가스로는 HBr 가스를 주로 사용하였으며, 플라즈마 소스 파워는 1000 W로 고정 하였다. 연구 결과에 의하면 식각공정 챔버 내 압력이 5, 10, 15 및 20 mTorr로 증가함에 따라 TEOS SiO2 박막의 강도가 7.76, 8.55, 8.88 및 6.29 GPa로 변화되는 것을 측정하였고 bias power에 따라서도 다르게 측정됨을 확인하였다. 이 결과를 통하여 Nano-indentation 분석 기법을 활용하여 TEOS SiO2 박막의 식각공정의 변화에 따른 강도변화를 측정함으로써 플라즈마에 의한 박막 표면의 damage를 정량적으로 측정 가능함을 확인하였다.

• 한국재료학회:학술대회논문집
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• 한국재료학회 2009년도 춘계학술발표대회
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• pp.26.2-26.2
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• 2009

이 논문은 반응성 $BCl_3$ 플라즈마로 GaAs의 건식 식각을 진행한 후 그 결과에 대하여 연구 분석 한 것이다. 이 때 사용한 식각 공정 변수는 $BCl_3$ 플라즈마에서의 가스유량, 공정 압력과 RIE 척 파워의 변화이다. 먼저 공정 압력을 75 mTorr 고정시킨 후 $BCl_3$ 유량을 변화 (2.5~10 sccm)해서 실험하였다. 또한 BCl3의 유량을 5 sccm으로 고정시킨 후 공정압력을 변화(47~180 mTorr)해서 식각 실험을 실시하였다. 마지막으로 47 mTorr와 100 mTorr 의 각각의 공정압력에서 RF 척 파워를 변화시켜 (50~200 W) 실험하였다. GaAs 플라즈마 식각이 끝난 후 표면단차 측정기 (Surface profiler)를 사용하여 표면의 단차와 거칠기를 분석하였다. 그 후 그 결과를 이용하여 식각율 (Etch rate), 식각 표면 거칠기 (RMS roughness), 식각 선택비 (Selectivity) 등의 식각 특성평가를 하였다. 또한 식각 공정 중에 샘플 척에 발생하는 자기 바이어스와 $BCl_3$ 플라즈마 가스를 광학 발광 분석기 (Optical Emission Spectroscopy)를 이용하여 플라즈마의 상태를 실시간으로 분석하였다. 이 실험 결과에 따르면 공정 압력의 증가는 샘플 척의 자기 바이어스의 값을 감소시켰다. $BCl_3$ 압력 변화에 의한 GaAs의 식각 결과를 정리하면 5 sccm의 $BCl_3$ 가스유량과 RF 척 파워를 100 W로 고정시켰을 때 식각율은 47 mTorr에서 가장 높았으며, 그 값은 $0.42{\mu}m/min$ 이었다. GaAs의 식각 속도는 공정압력이 증가할수록 감소하였으며 180 mTorr에서는 식각율이 $0.03{\mu}m/min$로 거의 식각되지 않았다. 또한 공정압력을 75 mTorr, RF 척 파워를 100 W로 고정시키고, $BCl_3$ 가스유량을 2.5 sccm에서 10 sccm까지 변화시켰을 때, 10 sccm 의 $BCl_3$ 가스유량에서 가장 높은 식각율인 $0.87{\mu}m/min$이 측정되었다. 압력에 따른 GaAs의 식각 후 표면 거칠기는 최대 2 nm 정도로 비교적 매끈하였으며, 거의 식각되지 않은 180mTorr의 조건에서는 약 1 nm로 낮아졌다. 본 실험 조건에서 GaAs의 감광제에 대한 식각 선택비는 최대 약 3:1 이내였다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2010년도 제39회 하계학술대회 초록집
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• pp.33-33
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• 2010

플라즈마를 이용한 건식식각공정은 현 반도체, 디스플레이, 태양광 산업에 널리 적용되는 공정으로며 일부공정은 플라즈마 없이는 식각공정이 불가능할 정도로 매우 중요한 공정이다. 건식식각공정은 크게 플라즈마의 이온에 의한 물리적인 프로세스와 라디칼에 의한 화학적인 프로세스로 나눌 수 있으며, 최근 들어, 화학적인 식각프로세스가 매우 중요함이 알려지게 되었다. 본 발표에서는 화학적 식각프로세스에서 가장 중요한 역할을 하는 플라즈마 라디칼을 챔버가 공정에 제한받지 않고 널리 쓰일 수 있는 데이터 베이스로 생산하는 아이디어 전략을 소개하는 시간을 통해 건식식각물성데이터 센터의 소개와 참조표준 데이터베이스의 중요성을 알리고자 한다.

• 한국전기전자재료학회:학술대회논문집
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• 한국전기전자재료학회 2004년도 하계학술대회 논문집 Vol.5 No.2
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• pp.1129-1133
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• 2004

반도체공정 최적화에 소요되는 시간과 경비를 줄이기 위해 신경망 모델이 개발되고 있다. 주로 역전파 신경망을 이용하여 모델이 개발되고 있으며, 본 연구에서는 Radial Basis Function Network (RBFN)을 이용하여 플라즈마 식각공정 모델을 개발한다. 실험데이터는 유도결합형 플라즈마를 이용한 Silicon Carbide 박막의 식각공정으로부터 수집되었다. 모델개발을 위해 $2^4$ 전인자 (full factorial) 실험계획법이 적용되었으며, 모델에 이용된 식각응답은 식각률과 atomic force microscopy로 측정한 식각표면 거칠기이다. 모델검증을 위해 추가적으로 16번의 실험을 수행하였다. RBFN의 예측성능은 세 학습인자, 즉 뉴런수, width, 초기 웨이트 분포 (initial weight distribution-IWD) 크기에 의해 결정된다. 본 연구에서는 각 학습인자의 영향을 최적화하였으며, IWD의 불규칙성을 고려하여 주어진 학습인자에 대해서 100개의 모델을 발생하고, 이중 최소의 IWD를 갖는 모델을 선택하였다. 최적화한 식각률과 표면거칠기 모델의 RMSE는 각기 26 nm/min과 0.103 nm이었다. 통계적인 회귀모델과 비교하여, 식각률과 표면거칠기 모델은 각기 52%와 24%의 향상된 예측정확도를 보였다. 이로써 RBFN이 플라즈마 공정을 효과적으로 모델링 할 수 있음을 확인하였다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 1999년도 제17회 학술발표회 논문개요집
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• pp.246-246
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• 1999

TFT-LCD 제조공정의 발전에 따라, 박막층(a-Si, SiNx, gate 전극, ITO 등)에 대한 습식공정을 대치하는 건식식각이 선호되고 있다. scan signal의 전파지연시간을 단축시키는 장점을 갖는 Al gate 전극의 건식식각의 경우, 높은 식각속도와 slope angle의 조절, 그리고 식각균일도가 요구된다. 이러한 Al gate 전극물질로는 Al에 Ti이나 Nd와 같은 금속을 첨가하여 post annealing 동안에 발생하는 hillock을 방지하고 더불어 낮은 resistivity(<10$\mu$$\Omega$cm)와 열과 부식에 대한 높은 저항성을 얻을 수 있다. 그러나 Al-Nd alloy 박막은 식각속도와 photoresist에 대한 식각선택도가 낮아 문제로 지적되고 있다. 본 실험에서는 고밀도 플라즈마원의 일종인 자화된 고밀도 유도결합형 플라즈마를 이용하여 식각가스 조합, inductive power, bias voltage 그리고 공정압력 등의 다양한 공정변수에 따른 Al-Nd film의 기본적인 식각특성 변화를 관찰하였다. 식각시 chloring gas를 주요 식각가스로 사용하고 BCl, HBr 등을 10mTorr의 일정한 압력을 유지하는 조건하에서 첨가하였으며 inductive power는 5100W~800W, bias voltage는 -50V~-200V까지 변화를 주었다. 식각공정의 전후를 통하여 Al-Nd 박막표면의 조성변화를 관찰하기 위하여 X-ray photoelectron spectroscopy(XPS)를 이용하였으며 공정변수에 따른 식각후 profile 관찰은 scanning electron microscopy(SEM)을 통하여 관찰하였다. Al-Nd 식각속도는 100% Cl2 플라즈마에 비해 BCl3의 양이 증가할수록 증가하였으며 75%의 BCl3 gas를 첨가하였을 때 가장 높은 식각속도를 얻을 수 있었다. 또한 SEM을 이용한 표면분석으로 roughness가 감소된 공정조건을 찾을 수 있었다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2011년도 제40회 동계학술대회 초록집
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• pp.290-290
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• 2011

유도결합플라즈마 장비의 공정에서 안테나의 역할은 매우 중요하다. 유도결합플라즈마의 식각 공정에서도 충분한 식각과 균등한 식각 결과를 얻기 위해 안테나의 역할은 중요한 요인 중 하나이다. 안테나와 공정 웨이퍼간의 거리에 따라 발생하는 플라즈마 밀도나 전자 온도 등이 변화하고 그에 따른 식각정도나 균등성도 달라진다. 본 연구에서는 플라즈마 특성 변화를 관찰하기 위해 기존 유도결합플라즈마 식각 장비의 안테나와 웨이퍼간 거리와 내부 안테나를 웨이퍼와 가깝게 하였을 때의 플라즈마 밀도, 안테나의 전류와 식각률 등을 측정하였다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2015년도 제49회 하계 정기학술대회 초록집
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• pp.102.1-102.1
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• 2015

플라즈마를 이용한 건식식각공정은 식각하고자 하는 기판과 더불어 챔버 내부를 구성하고 있는 부품들이 플라즈마에 함께 노출되는 환경이다. 챔버 내부가 장시간 플라즈마에 노출되어 열화 되면 기판의 불량을 야기하는 오염입자의 발생이 증가하므로 양산 공정에서는 그 때마다 내부 부품을 교체하여 청정한 공정 환경을 유지시킨다. 공정 챔버의 내부 부품은 플라즈마로 인한 열화를 방지하기 위하여 내플라즈마성이 우수하다고 알려진 코팅처리를 하여 사용한다. 금까지 플라즈마 식각 공정에 관한 연구는 식각하고자 하는 기판관점에서 활발히 이루어져 왔으나 내플라즈마성 코팅소재 관점에서의 연구 보고는 미미한 실정이다. 본 연구에서는 장시간의 양산공정을 모사하는 가혹한 플라즈마 조건에서 $CF_4/O_2$ 혼합가스를 사용하여 AAO (Anodic Aluminum oxide)피막의 오염입자 특성을 실시간 모니터링 하는 동시에 OES 분석을 수행하여 내플라즈마성 코팅소재의 오염입자 발생 메커니즘에 대하여 분석하였다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 1999년도 제17회 학술발표회 논문개요집
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• pp.249-249
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• 1999

GaN과 같은 III-nitride 반도체 관한 식각 기술의 연구는 blue-emitting laser diode(LD)를 위한 경면(mirror facet)의 형성뿐만아니라 새로운 display 용도의 light emitting diodes (LED), 고온에서 작동되는 광전소자 제조 등에도 그 중요성이 증대되고 있다. 최근에는 III-nitride 물질의 높은 식각속도와 미려하고 수직한 식각형상을 이루기 위하여 ECR(Electron Cyclotron Resonance)이나 ICP(Inductively Coupled Plasma)와 같은 고밀도 플라즈마 식각과 CAIBE(Chemically assisted ion beam etching)를 이용한 연구가 진행되고 있다. 현재 제조되어 지고 있는 LED 및 LD와 같은 광소자의 구조의 대부분은 p-GaN/AlGaN/InGaN(Q.W)/AlGaN/n-GaN 와 같은 여러 층의 형태로 이루어져 있다. 이중 InGaN는 광소자나 전자소자의 특성에 영향을 주는 가장 중요한 부분으로써 현재까지 보고된 식각연구는 undoped GaN에 대부분 집중되고 있고 이에 비해 소자 특성에 핵심을 이루는 InGaN의 식각특성에 관한 연구는 미흡한 상황이다. 본 연구에서는 고밀도 플라즈마원인 ICP 장비를 이용하여 InGaN를 식각하였고, 식각에는 Cl2/CH4, Cl2/Ar 플라즈마를 사용하였다. InGaN의 식각특성에 영향을 미치는 플라즈마의 특성을 관찰하기 위하여 quadrupole mass spectrometry(QMS)와 optical emission spectroscopy(PES)를 사용하였다. 기판 온도는 5$0^{\circ}C$, 공정 압력은 5,Torr에서 30mTorr로 변화시켰고 inductive power는 200~800watt, bias voltage는 0~-200voltage로 변화시켰으며 식각마스크로는 SiO2를 patterning 하여 사용하였다. n-GaN, p-GaN 층 이외에 광소자 제조시 필수적인 InGaN 층을 100% Cl2로 식각한 경우에 InGaN의 식각속도가 GaN에 비해 매우 낮은 식각속도를 보였다. Cl2 gas에 소량의 CH4나 Ar gas를 첨가하는 경우와 공정압력을 감소시키는 경우 식각속도는 증가하였고, Cl2/10%Ar 플라즈마에서 공정 압력을 감소시키는 경우 식각속도는 증가하였고, Cl2/10%CHF3 와 Cl2/10%Ar 플라즈마에서 공정압력을 15mTorr로 감소시키는 경우 InGaN과 GaNrks의 선택적인 식각이 가능하였다. InGaN의 식각속도는 Cl2/Ar 플라즈마의 이온에 의한 Cl2/CHF3(CH4) 플라즈마에서의 CHx radical 형성에 의하여 증가하는 것으로 사료되어 진다.