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문제 정의
- 본 논문에서는 ZnO 박막의 식각 전후의 ZnO 박막 표면의 변화를 연구하기 위하여, ZnO 박막을 ICP 식각 장비를 사용하여 BCl3/Ar 플라즈마와 Cl2/BCl3/Ar 플라즈마로 식각하였다. 이 때 XRD와 AES를 통해서 확인 할 수 있던 결과로써 화학적 결합이 이루어진다고 판단 할 수 있었다.
제안 방법
- /Ar 플라즈마, (c) Cl2/BCl3/Ar 플라즈마에서 식각된 ZnO 박막 표면에서의 화학적 결합상태를 조사하고, Cl2 가스의 첨가 효과를 관찰하기 위해 AES 분석을 실시하였다. 이때의 공정 조건은 RF 전력과 바이어스 전압은 각각 700 W, -150 V 이였으며, 공정압력은 15 mTorr 이었다.
- ZnO 박막의 표면 반응 정도를 확인하기 위하여, 우선 최고의 식각속도를 BCl3/Ar에 Cl2를 첨가하면서 식각속도를 측정하였다. 측정 결과 Cl2/BCl3/Ar = 3:16:4 sccm에서 가장 최고의 식각속도 53 nm/min을 확인 할 수가 있었다.
- 식각속도는 미국 KLA Tencor사의 Alpha-step 500을 사용하여 측정하였으며, 식각된 표면에 물리적 손상 또는 화학적 손상을 확인하기 위해 결정상 변화를 독일 Rigaku사의 RU-200BH로 XRD 분석을 수행하였고, 또한 식각된 표면의 상태 변화를 확인하기 위해 미국 PSIA사의 XE-100로 AFM으로 표면을 확인하였다. 그리고 식각메커니즘을 규명하기 위해서 ZnO 박막을 BCl3/Ar와 Cl2/BCl3/Ar 플라즈마에서 식각 전후 시료들의 표면조성과 화학적 결합 상태를 영국 Thermo VG Scientific사의 Sigma Probe로 AES 분석을 실시하였으며, 또한 식각된 ZnO 박막 표면에서의 비휘발성 식각 잔류물을 확인하기 위해 프랑스 Cameca 사의 IMS-4F SIMS를 이용하여 질량 분석을 수행하였다. 이때 SIMS의 광원으로는 5.
- 따라서 본 연구에서는 Cl2 가스를 BCl3/Ar 가스 플라즈마에 첨가하여, 유도결합 플라즈마 (inductively coupled plasma) 시스템을 이용하여 ZnO 박막을 식각하였다 [7]. 식각특성은 Cl2 가스를 BCl3/Ar 플라즈마에 첨가하면서 그에 따른 식각속도를 측정하였다.
- 이 시스템에서 진행한 공정변수로는 RF 전력을 700 W, 바이어스 전압은 - 150 V, 공정 압력은 15 mTorr, 기판온도는 30℃로 고정시켰다. 또한, ZnO 박막의 최고 식각속도를 구현하기 위해 Cl2 가스를 첨가한 BCl3/Ar 가스혼합비에서 진행 하였다. 식각속도는 미국 KLA Tencor사의 Alpha-step 500을 사용하여 측정하였으며, 식각된 표면에 물리적 손상 또는 화학적 손상을 확인하기 위해 결정상 변화를 독일 Rigaku사의 RU-200BH로 XRD 분석을 수행하였고, 또한 식각된 표면의 상태 변화를 확인하기 위해 미국 PSIA사의 XE-100로 AFM으로 표면을 확인하였다.
- 식각특성은 Cl2 가스를 BCl3/Ar 플라즈마에 첨가하면서 그에 따른 식각속도를 측정하였다. 또한, 식각 전/후의 표면에 손상은 XRD (X-raydiffractometry) 분석을 실시하였고, AFM (atomic force microscopy) 분석을 통해 BCl3/Ar 와 Cl2 가스의 혼합비에 따른 식각된 표면의 거칠기 rms (root mean square) 값을 비교 관찰하였다. 또한, 식각 전/후의 표면에서 반응은 AES (atomic emission spectroscopy)를 통해 분석하였으며, 식각된 ZnO 시료에서의 Zn 양의 감소나 비휘발성 식각 잔류물에 의한 영향을 검증하기 위해 SIMS (secondary ion mass spectrometry) 분석을 수행하였다.
- 또한, 식각 전/후의 표면에 손상은 XRD (X-raydiffractometry) 분석을 실시하였고, AFM (atomic force microscopy) 분석을 통해 BCl3/Ar 와 Cl2 가스의 혼합비에 따른 식각된 표면의 거칠기 rms (root mean square) 값을 비교 관찰하였다. 또한, 식각 전/후의 표면에서 반응은 AES (atomic emission spectroscopy)를 통해 분석하였으며, 식각된 ZnO 시료에서의 Zn 양의 감소나 비휘발성 식각 잔류물에 의한 영향을 검증하기 위해 SIMS (secondary ion mass spectrometry) 분석을 수행하였다.
- 5 kV, 200 um와 70 nA의 O2+ 이온이 사용되었다. 모든 분석에 사용된 샘플들은 1⨯1 um2 면적의 크기로 실험을 진행하였으며, 그 크기에서 모두 추출하고, 측정하여 분석하였다.
- 또한, ZnO 박막의 최고 식각속도를 구현하기 위해 Cl2 가스를 첨가한 BCl3/Ar 가스혼합비에서 진행 하였다. 식각속도는 미국 KLA Tencor사의 Alpha-step 500을 사용하여 측정하였으며, 식각된 표면에 물리적 손상 또는 화학적 손상을 확인하기 위해 결정상 변화를 독일 Rigaku사의 RU-200BH로 XRD 분석을 수행하였고, 또한 식각된 표면의 상태 변화를 확인하기 위해 미국 PSIA사의 XE-100로 AFM으로 표면을 확인하였다. 그리고 식각메커니즘을 규명하기 위해서 ZnO 박막을 BCl3/Ar와 Cl2/BCl3/Ar 플라즈마에서 식각 전후 시료들의 표면조성과 화학적 결합 상태를 영국 Thermo VG Scientific사의 Sigma Probe로 AES 분석을 실시하였으며, 또한 식각된 ZnO 박막 표면에서의 비휘발성 식각 잔류물을 확인하기 위해 프랑스 Cameca 사의 IMS-4F SIMS를 이용하여 질량 분석을 수행하였다.
- /Ar 가스 플라즈마에 첨가하여, 유도결합 플라즈마 (inductively coupled plasma) 시스템을 이용하여 ZnO 박막을 식각하였다 [7]. 식각특성은 Cl2 가스를 BCl3/Ar 플라즈마에 첨가하면서 그에 따른 식각속도를 측정하였다. 또한, 식각 전/후의 표면에 손상은 XRD (X-raydiffractometry) 분석을 실시하였고, AFM (atomic force microscopy) 분석을 통해 BCl3/Ar 와 Cl2 가스의 혼합비에 따른 식각된 표면의 거칠기 rms (root mean square) 값을 비교 관찰하였다.
- 이 때 박막의 두께는 약 200 nm 이었다. 이와 같이 준비한 ZnO 박막의 플라즈마 식각은 그림 1에서 보는 바와 같이 유도 결합 플라즈마에서 Cl2/BCl3/Ar 가스를 이용하여 식각을 진행하였다. 이 유도결합 플라즈마 시스템은 석영창 위에 나선형의 평판 구리 코일에 13.
대상 데이터
- 15 Ω․cm의 비저항을 갖는 p형 5인치 실리콘 웨이퍼를 사용하였다. ZnO 박막은 Atomic Layer Deposition (ALD: Ever-tek, Puls-100, 한국) 장비를 이용하여 박막을 증착하였다. 이 때 박막의 두께는 약 200 nm 이었다.
- 본 실험에 사용된 기판은 0.85 ∼ 1.15 Ω․cm의 비저항을 갖는 p형 5인치 실리콘 웨이퍼를 사용하였다.
- ZnO 박막의 식각에서 서로 다른 휘발성은 그림 6의 결과, 즉 식각된 표면의 SIMS 분석의 결과를 통해 확립될 수 있다. 여기서 분석에 사용된 샘플은 그 식각속도가 최대였을 때, 즉 Cl2/BCl3/Ar=3:16:4 sccm 가스 혼합비에서 식각된것을 사용하였다. 그림 6에서 ZnCl과 ZnCl2와 연관된 peck가 최대치를 보였고, 반면 BxOy의 신호들은 존재하지 않았다.
성능/효과
- 측정 결과 Cl2/BCl3/Ar = 3:16:4 sccm에서 가장 최고의 식각속도 53 nm/min을 확인 할 수가 있었다. 그래서 우리는 ZnO 박막을 (a) 식각 전, (b) BCl3/Ar 플라즈마, (c) Cl2/BCl3/Ar 플라즈마로 식각 실험을 진행하고, 그 시료들에서 XRD를 통해 결정상의 세기를 측정 확인 할 수 있었다. 그 실험의 결과는 그림 2에 나타내고 있다.
- /Ar 플라즈마와 그림 2(c)의 Cl2/BCl3/Ar 플라즈마에 노출된 상태를 보면, 결정상의 세기가 감소되었다는 것을 확인 할 수 있었다. 그러나 전체적으로 확인한 결과 결정상들의 변화가 거의 없어 그림2의 XRD 분석으로는 대전된 이온에 의한 표면 손상을 관찰 할 수 없었다.
- 위의 결과로부터 ZnO 박막의 식각에 있어서 Cl 이온의 효과가 가장 큰 영향을 미치며, Zn-O 의 결합을 깨는 Ar과 Zn-Cl로 결합하는 Cl의 형태가 스퍼터링의 수율을 더욱 증대 시킨다고 판단된다. Ar 가스함유량이 증가할수록 Cl 원자 또는 양이온과 같은 활성종의 체적 밀도와 선속이 선형적으로 변화 된다는 것을 검증하였다. 물리적인 스퍼터링과 이온 충돌에 의해 활성화되는 화학적 식각의 결합을 통한 ion-assisted 식각으로 단순화하여 설명할 수 있는 표면 반응의 역학적 분석은 본 실험 결과를 통해 설명할 수 있었다.
- 매개변수의 값은 열적 탈착의 존재가 Cl 기반 플라즈마에서의 식각속도에 기여하나 최대식각속도의 값에는 영향을 미치지 않는다는 것을 증명한다. 결과적으로 화학적(Cl, B 원자), 물리적(Ar+이온)에서의 선속에 있어서 선형적 변화를 가지는 시스템에서 Cl2/BCl3/Ar 가스 혼합비에 따른 식각속도의 최대치의 예측에 대한 가능성을 보여준다
- 식각 전에는 거의 눈으로 확인 할 수 없는 peck이지만, Cl2 가스를 첨가함에 따라 식별이 가능하게 되었다. 결과적으로, ZnO 박막의 표면상에서는 Cl 라디칼 밀도는 증가하고, 여기된 원자가 Cl와 충돌하여 Cl 라디칼로 해리 되어 지는데 도움을 주기 때문에, Cl 의 부피 밀도가 증가한 것으로 판단되며, 이러한 Cl 라디칼의 증가로 식각속도가 증가된 것으로 사료된다.
- 그림2(b)의 BCl3/Ar 플라즈마와 그림 2(c)의 Cl2/BCl3/Ar 플라즈마에 노출된 상태를 보면, 결정상의 세기가 감소되었다는 것을 확인 할 수 있었다. 그러나 전체적으로 확인한 결과 결정상들의 변화가 거의 없어 그림2의 XRD 분석으로는 대전된 이온에 의한 표면 손상을 관찰 할 수 없었다.
- 또한, Cl2/BCl3/Ar 플라즈마로식각된 시료들에서 SIMS 분석 결과를 통해서 Zn-Cl과 O-B 결합을 관찰 할 수 있었다. 그리고 AFM 분석 결과에서 Cl2/BCl3/Ar 플라즈마를 이용하여 식각하였을 때, 표면의 거칠기인 rms 값이 BCl3/Ar 플라즈마로 식각된 시료의 값보다 증가하였다. 이는 ZnO 박막을 구성하는 물질들에 화학적 반응 의한 스퍼터링 수율이 다르게 기인하였고, Cl 라디칼과 반응한식각 부산물의 비휘발성 때문에 기인되어진다고 판단된다.
- 이 때 XRD와 AES를 통해서 확인 할 수 있던 결과로써 화학적 결합이 이루어진다고 판단 할 수 있었다. 또한, Cl2/BCl3/Ar 플라즈마로식각된 시료들에서 SIMS 분석 결과를 통해서 Zn-Cl과 O-B 결합을 관찰 할 수 있었다. 그리고 AFM 분석 결과에서 Cl2/BCl3/Ar 플라즈마를 이용하여 식각하였을 때, 표면의 거칠기인 rms 값이 BCl3/Ar 플라즈마로 식각된 시료의 값보다 증가하였다.
- 그림 6에서 ZnCl과 ZnCl2와 연관된 peck가 최대치를 보였고, 반면 BxOy의 신호들은 존재하지 않았다. 매개변수의 값은 열적 탈착의 존재가 Cl 기반 플라즈마에서의 식각속도에 기여하나 최대식각속도의 값에는 영향을 미치지 않는다는 것을 증명한다. 결과적으로 화학적(Cl, B 원자), 물리적(Ar+이온)에서의 선속에 있어서 선형적 변화를 가지는 시스템에서 Cl2/BCl3/Ar 가스 혼합비에 따른 식각속도의 최대치의 예측에 대한 가능성을 보여준다
- 위의 결과로부터 ZnO 박막의 식각에 있어서 Cl 이온의 효과가 가장 큰 영향을 미치며, Zn-O 의 결합을 깨는 Ar과 Zn-Cl로 결합하는 Cl의 형태가 스퍼터링의 수율을 더욱 증대 시킨다고 판단된다. Ar 가스함유량이 증가할수록 Cl 원자 또는 양이온과 같은 활성종의 체적 밀도와 선속이 선형적으로 변화 된다는 것을 검증하였다.
- 를 첨가하면서 식각속도를 측정하였다. 측정 결과 Cl2/BCl3/Ar = 3:16:4 sccm에서 가장 최고의 식각속도 53 nm/min을 확인 할 수가 있었다. 그래서 우리는 ZnO 박막을 (a) 식각 전, (b) BCl3/Ar 플라즈마, (c) Cl2/BCl3/Ar 플라즈마로 식각 실험을 진행하고, 그 시료들에서 XRD를 통해 결정상의 세기를 측정 확인 할 수 있었다.
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