[논문]LCD 공정용 C3F6 가스를 이용한 Si3N4 박막 식각공정 및 배출가스에 관한 연구

전성찬; 공대영; 표대승; 최호윤; 조찬섭; 김봉환; 이종현

doi:10.5757/jkvs.2012.21.4.199

LCD 공정용 C3F6 가스를 이용한 Si3N4 박막 식각공정 및 배출가스에 관한 연구
A Study on Etching of Si3N4 Thin Film and the Exhausted Gas Using C3F6 Gas for LCD Process 원문보기

韓國眞空學會誌 = Journal of the Korean Vacuum Society, v.21 no.4, 2012년, pp.199 - 204

전성찬 (경북대학교 전자전기컴퓨터학부) , 공대영 (경북대학교 전자전기컴퓨터학부) , 표대승 (경북대학교 전자전기컴퓨터학부) , 최호윤 (원익머트리얼즈(주)) , 조찬섭 (경북대학교 산업전자전기공학부) , 김봉환 (대구가톨릭대학교 전자공학과) , 이종현 (경북대학교 전자전기컴퓨터학부)

초록
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$SF_6$ 가스는 반도체 및 디스플레이 제조공정 중 건식식각 공정에서 널리 사용되는 가스이다. 하지만 $SF_6$ 가스는 대표적인 온실가스로서 지구 온난화에 큰 영향을 끼치기 때문에 반도체 및 디스플레이 공정에서 $SF_6$ 가스를 대체할 수 있는 가스의 연구가 필요한 상황이다. 그 후보군으로 떠오르고 있는 가스 중의 하나가 바로 $C_3F_6$ 가스이다. 이 가스를 이용하여 $Si_3N_4$ 박막을 건식식각 방법인 Reactive Ion Etching 공정을 수행하여 식각 특성에 관하여 연구하였으며, 흡착제 Zeolite 5A를 이용하여 식각공정 중 배출되는 가스 성분을 감소시켰다. Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition 장비를 이용하여 500 nm 두께의$Si_3N_4$ 박막을 증착하였으며, 노광 공정을 통해 패터닝을 한 후 Reactive Ion Etching 공정을 수행하였다. 그리고 Scanning Electron Microscope 장비를 이용하여 $Si_3N_4$ 박막의 식각된 단면과 식각율을 확인하였다. 또한 공정 후 흡착제 Zeolite 5A를 통과하기 전과 후에 배출되는 가스를 포집하여 Gas Chromatograph-Mass Spectrophotometry 장비를 이용하여 가스 성분을 측정 및 비교하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

$SF_6$ gas is widely used for dry etching process of semiconductor and display fabrication process. But $SF_6$ gas is considered for typical greenhouse gas for global warming. So it is necessary to research relating to $SF_6$ alternatives reducing greenhouse effect in semiconductor and display. $C_3F_6$ gas is one of the promising candidates for it. We studied about etch characteristics by performing Reactive Ion Etching process of dry etching and reduced gas element exhausted on etching process using absorbent Zeolite 5A. $Si_3N_4$ thin film was deposited to 500 nm with Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition and we performed Reactive Ion Etching process after patterning through photolithography process. It was observed that the etch rate and the etched surface of $Si_3N_4$ thin film with Scanning Electron Microscope pictures. And we measured and compared the exhausted gas before and after the absorbent using Gas Chromatograph-Mass Spectrophotometry.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 TFT-LCD 제조 공정에서 GWP가 매우 높은 SF₆ 가스를 대체하기 위해서 C₃F₆ 가스를 이용하여 RIE (Reactive Ion Etching, Ultech) 공정을 통해 Si₃N₄ 박막의 식각 공정을 수행하였다. RIE 공정으로 식각된 단면의 형상과 식각율(etch rate)은 SEM (Scanning Electron Microscope) 측정으로 확인하였다.

제안 방법

3에 나타내었다. C₃F₆ 가스를 사용하여 Si₃N₄ 박막을 식각할 때 배출되는 가스를 측정 및 분석하였다. 패터닝은 하지 않고 500 nm 두께의 Si₃N₄ 박막만 증착하였으며, Power: 300 W, flow rate: 150 sccm, O₂: 100 sccm, temperature: 15℃ 등의 조건으로 식각 공정을 수행하였다.
박막의 식각 공정을 수행하였다. RIE 공정으로 식각된 단면의 형상과 식각율(etch rate)은 SEM (Scanning Electron Microscope) 측정으로 확인하였다. 식각 공정 중 배출되는 가스의 성분은 GC-MS (Gas Chromatography- Mass Spectrophotometry, Agilent) [7,8]를 이용하여 측정하였으며, 흡착제 Zeolite 5A 통과 전후를 비교하여 배출되는 CF 계열 가스 성분의 정제효과를 확인하였다.
C₃F₆/O₂ 가스를 이용한 식각 공정은 power: 200 W, flow rate: 30/30 sccm, temperature: 15℃, time: 7 min 조건으로 Al 마스크를 이용하여 수행하였다. RIE 공정으로 식각된 단면의 형상과 식각율은 SEM 측정으로 확인하였다.
우선 P-type (100) 방향, 비저항 1∼20 Ω · cm인 4인치 Si 웨이퍼 위에 PECVD 방식으로 500 nm 두께의 Si₃N₄ 박막을 증착하였다. 그리고 노광 공정 및 Al lift-off 공정을 통하여 식각 마스크를 형성한 후 Si₃N₄ 박막에 대한 RIE 공정을 수행하였다. SF₆ 가스를 이용한 RIE 공정은 power: 100 W, flow rate: 30 sccm, temperature: 15℃, time: 60 sec 등의 조건으로 수행하였다.
패터닝은 하지 않고 500 nm 두께의 Si₃N₄ 박막만 증착하였으며, Power: 300 W, flow rate: 150 sccm, O₂: 100 sccm, temperature: 15℃ 등의 조건으로 식각 공정을 수행하였다. 그리고 배출가스의 정제효과를 확인하기 위하여 흡착제 Zeolite 5A 통과 전후로 포집하였으며, GC-MS를 이용하여 가스 성분을 측정 및 분석하였다.
본 논문에서는 SF₆ 와 C₃F₆ 가스를 이용하여 Si₃N₄ 박막을 식각하고, 식각 후 배출되는 가스 성분을 측정하였다. SF₆가스로 식각한 경우 식각율은 226.
본 실험에서는 SF₆와 C₃F₆ 가스를 이용하여 Si₃N₄ 박막을 RIE 공정을 통해 식각하였다. F계열의 가스를 이용하여 Si₃N₄ 박막을 식각할 때 식각되는 과정을 Fig.
RIE 공정으로 식각된 단면의 형상과 식각율(etch rate)은 SEM (Scanning Electron Microscope) 측정으로 확인하였다. 식각 공정 중 배출되는 가스의 성분은 GC-MS (Gas Chromatography- Mass Spectrophotometry, Agilent) [7,8]를 이용하여 측정하였으며, 흡착제 Zeolite 5A 통과 전후를 비교하여 배출되는 CF 계열 가스 성분의 정제효과를 확인하였다.
흡착제 정제효과 실험은 SF6 가스는 대표적인 온실가스이기 때문에 지구 온난화 지수가 낮은 C3F6 가스에 대해서만 진행하였다.

대상 데이터

우선 P-type (100) 방향, 비저항 1∼20 Ω · cm인 4인치 Si 웨이퍼 위에 PECVD 방식으로 500 nm 두께의 Si3N4 박막을 증착하였다.
2에 나타내었다. 적절한 마스킹을 위해 SF₆ 가스를 이용하여 식각할 때는 Photo resist (Az1512) 마스크를 사용하였으며, C₃F₆ 가스를 이용하여 식각할 때는 lift-off 공정 및 Al 진공증착으로 형성된 250 nm 두께의 Al 마스크를 사용하였다. 우선 P-type (100) 방향, 비저항 1∼20 Ω · cm인 4인치 Si 웨이퍼 위에 PECVD 방식으로 500 nm 두께의 Si₃N₄ 박막을 증착하였다.

성능/효과

C₃F₆ 가스를 이용하여 식각 공정 후 배출되는 가스는 흡착제 통과하기 전후에 포집되었다. 흡착제 통과 전에는 CF계열과 CO계열의 Peak height가 크게 나타났지만, 흡착제를 통과시킨 후에는 CF 계열과 CO계열이 다량 제거되거나 Peak height가 많이 감소되어 흡착제의 효과를 확인할 수 있었다. 따라서 C₃F₆ 가스를 사용하여 RIE 공정으로 Si₃N₄ 박막을 식각하고, 배출되는 가스는 흡착제를 이용하여 불순물을 제거하게 되면 환경적인 측면에서 유리할 것으로 판단된다.

후속연구

1 nm/min로 측정되었다. C₃F₆ 가스를 이용한 Si₃N₄ 박막의 식각공정 가능성은 확인하였지만, 식각 특성을 개선하기 위한 추가적인 연구 필요성이 제기되었다. 흡착제 정제효과 실험은 SF₆가스는 대표적인 온실가스이기 때문에 지구 온난화 지수가 낮은 C₃F₆ 가스에 대해서만 진행하였다.
1 nm/min 으로 측정되었다. 따라서 C₃F₆ 가스를 이용한 Si₃N₄ 박막의 식각공정의 가능성은 확인하였지만, 식각특성을 개선하기 위한 추가적인 연구가 필요할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	플라즈마가 이용되는 건식식각 공정은 주로 어느 공정에 사용되는가?	특히 TFT-LCD 제조 공정에서는 PECVD, 건식식각과 같은 공정에서 플라즈마를 이용하고 있다 [1]. 그 중 건식 식각 공정은 Si 계열의 박막을 식각하는 데 사용된다. 이러한 Si 계열의 박막을 식각하기 위해서 F (fluorine), Cl (Chlorine) 등의 가스가 사용되며, F 계열의 가스로는 SF6를 주로 사용한다 [2,3].
	SF6 가스는 CO2 대비 GWP가 몇 배인가?	국내에서 배출되는 온실 가스의 종류를 Table 1에 나타내었다. SF6 가스는 GWP가 CO2 대비 23,900배로서 다른 온실가스보다 매우 크다는 것을 확인할 수 있다. 반면에 C3F6 가스는 GWP가 100 이하이므로 [4,5], SF6 가스를 대체할 만한 후보군으로 주목받고 있다.
	Si 계열의 박막을 식각하기 위해 사용되는 가스는 무엇인가?	그 중 건식 식각 공정은 Si 계열의 박막을 식각하는 데 사용된다. 이러한 Si 계열의 박막을 식각하기 위해서 F (fluorine), Cl (Chlorine) 등의 가스가 사용되며, F 계열의 가스로는 SF6를 주로 사용한다 [2,3]. 하지만 SF6 가스는 대표적인 온실가스로서 GWP (Global Warming Potential)가 매우 높아서 지구 온난화에 큰 영향을 끼친다.

참고문헌 (12)

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M. S. Yun, D. H Hyun, B. J. Jin, J. Y. Choi, J. S. Kim, H. D. Kang, J. S. Yi, and G. C. Kwon, J. Korean Vacuum Soc. 19, 114-120 (2010).

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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