[논문]플라즈마 에쳐용 실리콘 전극과 링의 수명에 미치는 결함의 영향

음정현; 채정민; 피재환; 이성민; 최균; 김상진; 홍태식; 황충호; 안학준

doi:10.6111/jkcgct.2010.20.2.101

초록
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플라즈마 에쳐 내에 사용되는 실리콘 전극과 링 부품은 사용 중에 강한 플라즈마와 접촉하면서 주기적인 가열과 냉각 과정을 거친다. 이 때 부품의 표면에서는 열 응력으로 인하여 PSB라고 하는 띠 형상의 결함이 생성되며 이로 인하여 그 수명을 다하게 된다. 원료인 실리콘 잉곳의 관점에서 그 수명에 미치는 인자를 살펴보았다. 잉곳의 등급, 즉 S/F와 S/A에 따라 불순물과 결함의 농도를 GDMS와 ${\mu}$-PCD로 평가하여 잉곳의 어떤 요소들에 의하여 수명이 결정되는가를 분석하였다. 그 결과, {001} 면상에서 관찰되는 <110> 방향의 면 결함들이 PSB와 연결될 가능성이 있음을 제안하였다.

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Silicon electrode and ring in a plasma etcher those are in contact with harsh plasma suffer from periodic heating and cooling during their lifetime. This causes the silicon components failure due to thermal stress remaining the persistent slip bands (PSBs) on their surfaces. The factors that determi...

Silicon electrode and ring in a plasma etcher those are in contact with harsh plasma suffer from periodic heating and cooling during their lifetime. This causes the silicon components failure due to thermal stress remaining the persistent slip bands (PSBs) on their surfaces. The factors that determine the lifetime of silicon electrode and ring were discussed with respect to silicon ingot. The impurity level and the average defect concentration measured with glow discharge mass spectrometer (GDMS) and microwave photo-conductance decay (${\mu}$-PCD) were compared with the grade of silicon ingots those are divided to slip-free and slip-allowed ingot. Some silp-allowed samples showed planar defects along direction on {001} surface. The role of these defects was suggested from the viewpoint of the lifetime of silicon components.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

실제로 이러한 띠 형상의 결함이 실제 강도에 어떤 영향을 미치는 가를 확인하려면 더 주의 깊은 샘플 준비와 강도시험이 필요하며 현재 이에 대한 연구가 진행 중이다. 그러나 정성적으로는 이러한 2차원 결함이 고온 플라즈마에 의한 반복 열응력 하에서 슬립으로 인한 변형을 일으킬 개연성을 본 연구를 통하여 확인할 수 있었다.
현재까지 잉곳의 어떤 특성에 의해 수명이 좌우되는가에 대한 연구가 충분히 제시되지 않아서 실리콘 부품 제조사에서는 불량품 교체 정도의 소극적인 대응만 해온 상태이다. 본 연구에서는 잉곳 내의 불순물에 대한 화학 적 분석과 결함 분포에 대한 소수운반자수명(minority carrier lifetime: MCLT) 맵핑, 고온에서의 변형 거동 등을 살펴봄으로써 어떤 결함들이 실리콘 내부에 존재하고 그런 결함이 실재 슬립 현상과 어떻게 관련되는가에 대하여 살펴보고자 하였다.
잉곳의 어떤 특성에 의해 수명이 좌우되는가에 대한 논의는 아직 진행된 바 없으나 플라즈마 에쳐내에서 실리콘 전극과 링은 고온의 플라즈마에 의한 주기적인 가열과 냉각이 반복되는 상황 하에 놓이기 때문에 주로 열 응력에 의하여 수명이 다하는 것으로 추정되고 있다. 본 연구에서는 잉곳 내의 불순물에 대한 화학적 분석과 결함 분포에 대한 열운반자 수명(minority carrier lifetime: MCLT) 맵핑, 고온에서의 변형 거동 등을 살펴봄으로써 어떤 결함이 실리콘 내부에 존재하고 그런 결함이 실제 슬립 현상과 어떻게 관련되는가에 대하여 살펴보았다. 이로부터 {100} 면에서 관찰하였을 때 <110> 방향으로 2차원 결함이 존재하며 이 결함이 수명 전 슬립 발생의 원인으로 작용할 개연성을 제시하였다.
이로부터 {100} 면에서 관찰하였을 때 방향으로 2차원 결함이 존재하며 이 결함이 수명 전 슬립 발생의 원인으로 작용할 개연성을 제시하였다.

제안 방법

3.2절에서 언급하였던 T-S/A 샘플의 MCLT 맵핑에서 관찰되었던 방향의 띠들이 실제 기계적 강도 실험 후에 어떻게 변화되는가를 관찰하기 위하여 고온 강도 시험 전후의 MCLT 맵핑 결과를 비교하였다.
이런 결함의 양을 줄이는 방법으로 잉곳의 어닐링이 많이 이용되는데 보통 제품으로 출하하기 전에 250o C 근처에서 8시간 정도 열처리한다. 본 연구에서는 열처리 전후의 G-S/F 샘플과 열처리 된 T-S/A 샘플에 대하여 MCLT 맵핑을 수행하여 그 결과를 Fig. 3에 예시하였다. 한 가지 특이한 사항은 일부 T-S/A 샘플에서 <110> 방향으로 띠 모양의 선들이 관찰된다는 점이다.
실리콘의 고온 강도를 평가하기 위하여 표면을 웨이퍼 공정처리(chemical mechanical polishing)한 후 40 × 4 × 3 mm3 크기로 가공하여 고온 강도 측정기((주)알앤비)를 이용하여 알곤 분위기에서 3점 곡강도(3-point bending strength)를 측정하였다.
화학 분석은 미국 Evans Analytical Group(EAG)에 분석을 의뢰하였는데 전원소 분석에는 GDMS(glow discharge mass spectroscopy)를 사용하였고 산소와 탄소 분석에는 Bulk SIMS(secondary electron mass spectroscopy)로 분석하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 잉곳은 시중에서 유통되는 국내외 5개 사의 제품으로 등급에 따라 S/F(slip free)와 S/A(slip allowed)로 구별된다. 화학 분석은 미국 Evans Analytical Group(EAG)에 분석을 의뢰하였는데 전원소 분석에는 GDMS(glow discharge mass spectroscopy)를 사용하였고 산소와 탄소 분석에는 Bulk SIMS(secondary electron mass spectroscopy)로 분석하였다.

이론/모형

소수운반자수명(MCLT) 평가에는 Microwave photoconductance decay(µ-PCD, Semilab WT-2000)을 이용하여 맵핑하였다.

성능/효과

따라서 도핑을 위하여 첨가된 붕소를 제외한 전체적인 잉곳의 순도는 7 N 이하로 추정된다. GDMS 만으로 평가가 어려운 탄소와 산소에 대해서는 bulk SIMS 분석을 하였는데 탄소는 모든 샘플에서 26 ppbw 이하로 평가되었고 산소의 농도는 수 ppmw에서 16 ppmw까지 다양하게 검출되었다. 그러나 잉곳의 등급인 S/F나 S/A에 따라서는 크게 달라지지 않았고 오히려 제조사에 따라서 달라졌는 데 한 회사에서만 아주 낮은 함량의 산소가 검출되었다.
5에 나타내었다. 모든 샘플들은 같은 방향으로 샘플링하였고 온도와 변형률(strain rate)에 따라 다른 파괴거동을 나타내었는데 600℃, 0.1 mm/min으로 변형하였을 때는 전형적인 취성 파괴거동을 나타내었고 이 때는 3점 곡강도의 특성상 경면 연마된 면의 센터 부근의 결함 크기에 따라 강도가 크게 달라지는 거동을 나타내었다. 상대적으로 높은 온도 낮은 변형률인 700℃, 0.
2에 나타내었다. 붕소와 황을 제외한 모든 원소들은 측정한계인 20 ppbw 이하로 평가되었고 붕소와 황의 농도도 거의 비슷한 수준인 40에서 60 ppbw 정도로 평가되었다. 따라서 도핑을 위하여 첨가된 붕소를 제외한 전체적인 잉곳의 순도는 7 N 이하로 추정된다.
1 mm/min으로 변형하였을 때는 전형적인 취성 파괴거동을 나타내었고 이 때는 3점 곡강도의 특성상 경면 연마된 면의 센터 부근의 결함 크기에 따라 강도가 크게 달라지는 거동을 나타내었다. 상대적으로 높은 온도 낮은 변형률인 700℃, 0.05 mm/min에서는 연성 파괴 거동을 나타내었고 그 강도는 감소하였으나 강도 값의 편차가 줄면서 파괴전 변형량이 크게 증가하였다. 이러한 거동의 변화는 다른 연구에서 관찰된 것[3,4]과도 유사한 것으로 판단된다.
7, 82 µsec로 평가되었다. 열처리된 S/A와 S/F를 비교해 볼 때 MCLT 값은 10배 이상의 차이를 보였으며 이를 통하여 평균적인 결함의 농도에 큰 차이가 있음을 확인할 수 있었다. 또한 열처리 전후에도 상당한 차이를 보이며 샘플 간의 차이도 열처리 후에 더 확대되는 것으로 보인다.
그러나 잉곳의 등급인 S/F나 S/A에 따라서는 크게 달라지지 않았고 오히려 제조사에 따라서 달라졌는 데 한 회사에서만 아주 낮은 함량의 산소가 검출되었다. 이들 결과를 종합하여 볼 때 제조사에서 제공하는 잉곳의 품질은 순도의 차이에 의한 것이 아니라는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 실리콘 결정의 품질을 좌우하는 다른 요소인 실리콘 결정성장 조건의 차이에 의한 것으로 추정해 볼 수 있다.

후속연구

이로부터 {100} 면에서 관찰하였을 때 <110> 방향으로 2차원 결함이 존재하며 이 결함이 수명 전 슬립 발생의 원인으로 작용할 개연성을 제시하였다. 실제 제품과 이런 결함 간의 관계를 보다 명확히 밝히려면 정교한 강도 시험 및 결함에 대한 TEM 분석 등 추가적인 연구가 필요하며 현재 이와 관련된 실험이 진행 중이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	플라즈마 에쳐에 사용되는 실리콘 전극과 링 부품의 역할은 무엇인가?	플라즈마 에쳐에 사용되는 실리콘 전극과 링 부품은 주로 단결정 혹은 다결정 실리콘 잉곳으로 만들어 지는데 에칭하고자 하는 웨이퍼 표면으로 플라즈마를 균일하게 분포시켜서 고르게 에칭되도록 하는 역할(Fig. 1(a) 참조)을 수행한다[1]. 실제 에칭 공정 중에 실리콘 전극과 링은 고온의 플라즈마와의 접촉에 의하여 주기적인 가열과 냉각이 반복되는 상황 하에 놓이게 되는데 이 때 열 응력이 실리콘 부품의 표면에 가해지게 된다.
	PSB는 에쳐 내에서 어떤 과정을 거치며 생성되는가?	플라즈마 에쳐 내에 사용되는 실리콘 전극과 링 부품은 사용 중에 강한 플라즈마와 접촉하면서 주기적인 가열과 냉각 과정을 거친다. 이 때 부품의 표면에서는 열 응력으로 인하여 PSB라고 하는 띠 형상의 결함이 생성되며 이로 인하여 그 수명을 다하게 된다.
	실리콘 부품에 피로 현상을 발생시키는 원인으로는 무엇이 있는가?	실제 에칭 공정 중에 실리콘 전극과 링은 고온의 플라즈마와의 접촉에 의하여 주기적인 가열과 냉각이 반복되는 상황 하에 놓이게 되는데 이 때 열 응력이 실리콘 부품의 표면에 가해지게 된다. 플라즈마가 켜졌을 때는 표면에 압축 응력이 발생되고 반대로 플라즈마가 꺼졌을 경우에는 인장 응력이 표면에 가해지는데 이러한 인장과 압축이 반복되는 상황 하에서는 실리콘 부품에도 피로 현상이 나타나게 된다. 이러한 반복 과정 중에 실리콘 표면에는 영구 변형으로 인한 전위들의 생성과 재배열을 통하여 persistent slip bands(PSB)라고 하는 전위 밀도 차이에 의한 띠가 형성되는데 최근에 Legros et al.

참고문헌 (6)

C. Steinbruchel, "Reactive Ion Etching", in 'Handbook of thin film process technology' D.A. Glocker, S.I. Shah, Ed. (IOP puvlishing Ltd, London, 1995) C1.1.
M. Legros, O. Ferry, F. Houdellier, A. Jacques and A. George, "Fatigue of single crystalline silicon: Mechanical behavior and TEM observations", Mater. Sci. Eng. A483-483 (2008) 353.
J. Samuels and S.G. Roberts, "The brittle-ductile transition in silicon. I. Experiments", Proc. R. Soc. Lond. A 421 (1989) 1.

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M. Brede and P. Haasen, "The brittle-to-ductile transition in doped silicon as a model substrate", Acta Metal. 36 (1988) 2003.

상세보기
B.D. Ferney and K.J. Hsia, "The influence of multiple slip systems on the brittle-ductile transition in silicon", Mater. Sci. Eng. A272 (1999) 422.
Y.-B. Xin and K.J. Hsia, "Simulation of the brittle-ductile transition in silicon single crystals using dislocation mechanics", Acta Mater. 45 (1997) 1747.

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