[논문]CaO-Al2O3-SiO2 계 벌크 유리와 스프레이 코팅막의 CF4/O2/Ar 플라즈마 식각 시 내식성 비교

나혜인; 박제원; 박재혁; 김대근; 최성철; 김형준

doi:10.6111/jkcgct.2020.30.2.066

CaO-Al2O3-SiO2 계 벌크 유리와 스프레이 코팅막의 CF4/O2/Ar 플라즈마 식각 시 내식성 비교
Comparison of plasma resistance between spray coating films and bulk of CaO-Al2O3-SiO2 glasses under CF4/O2/Ar plasma etching 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.30 no.2, 2020년, pp.66 - 72

나혜인 (한국세라믹기술원 엔지니어링센터) , 박제원 (한국세라믹기술원 엔지니어링센터) , 박재혁 (아이원스) , 김대근 (아이원스) , 최성철 (한양대학교 신소재공학부) , 김형준 (한국세라믹기술원 엔지니어링센터)

초록
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본 연구에서는 CaO-Al₂O₃-SiO₂(CAS) 계 유리 벌크와 유리 분체를 알루미나 소결체 표면에 스프레이 코팅막 적용 시 내플라즈마 특성에 대하여 비교하였다. CAS 유리 벌크와 유리 코팅막을 CF₄/O₂/Ar 플라즈마 가스에 노출시켰을 때의 식각율과 표면의 미세구조 분석을 통해 내플라즈마 특성을 확인하였다. CAS 유리 소성막은 유리 벌크와 비교하여 에칭속도가 최대 25배 빠른 것을 확인하였다. 유리 소성막의 표면 조도 값과 식각율 간의 통계학적으로 높은 상관성을 도출하였고, 이에 따라 소성막의 높은 표면조도가 빠른 식각을 유발하는 것으로 판단하였다. 그리고 유리 소성막은 Ca 성분의 함량이 적고, Si 함량이 많은 크리스토발라이트(cristobalite) 결정의 형성으로 인하여 Ca과 Ca 불화물에 의한 내플라즈마 효과가 감소한 것으로 판단된다. 따라서 CAS 유리 소성막은 유리 벌크에 비해 낮은 내플라즈마 특성을 갖는 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The difference of plasma resistance between the CAS glass bulk and coating films were compared. Plasma resistance was confirmed by analyzing the etch rate and the microstructure of the surface when the CAS glass bulk and the glass coating film were etched with CF4/O2/Ar plasma gas. CAS glass coating film was etched up to 25 times faster than the glass bulk. A statistically high correlation between the surface roughness and the etching rate of the coating film was derived, and thus, the high surface roughness of the coating film was determined to cause rapid etching. In addition, cristobalite crystals that has a low Ca content and a high Si content, was foamed on the glass coating film. Therefore, the CAS glass coating film is considered to have low plasma resistance compared to the glass bulk.

주제어

표/그림 (9)

표 Table 1 Glass compositions and thermal properties of CAS glass
표 Table 2 Plasma etching conditions
그림 Fig. 1. Surface roughness of glass coating films according to sintering temperature and time.
그림 Fig. 2. (a) Surface microstructure (SEI ×3000) and (b) cross section microstructure (BEI ×3000) of CAS glass coating films according to sintering temperature and time (0, 2 h).
그림 Fig. 4. Surface microstructure of reference samples, CAS glass bulk (SEI ×3000).
그림 Fig. 3. Etch rates of the references (CAS glass bulk, sapphire, Al₂O₃, and quartz) and the CAS coating films according to sintering temperatures and time.
그림 Fig. 5. Surface microstructure of etched CAS glass coating according to sintering temperature and time (SEI ×3000).
그림 Fig. 6. Etching rate and surface roughness of reference, CAS glass and coating film according to sintering temperature and time.
그림 Fig. 7. Correlation between etching rate and surface roughness of CAS glass coating film.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 내플라즈마 벌크 유리와 코팅 적용된 유리 소성막의 특성을 비교하고, 코팅 소결체의 표면 특성과 플라즈마 내구성에 대한 상관관계에 대하여 연구하였다.

제안 방법

사파이어는 결정립계가 없는 단결정이기 때문에 다결정 Al₂O₃ 보다 비교적 낮은 식각율을 갖는 것으로 판단된다. CAS 유리 벌크와 소성막의 플라즈마 식각 전 후 미세구조 변화를 비교하였다. Figure 4에서 CAS 유리의 에칭 후 표면이 깨끗한 이유는 CF₄ 플라즈마와 반응 시에 생성되는 CaF₂ 와 AlF₃ 등의 비등점이 각각 2533^o C 와 1275^o C로 높으며, Ca의 유리내 결합력이 높기 때문인 것으로 추정하고 있다[7].
CAS 유리 벌크와 스프레이 코팅한 소성막의 내플라즈마 특성을 비교해보았다. CAS 유리 분체를 점성 소결에 의해 소결이 되었을 때 유리 벌크 시료와 같은 내플라즈마 특성이 발현될 것으로 기대하였으나, CAS 유리 벌크와 비교하여 소성막은 에칭속도가 최대 25배 빠르며 내플라즈마 특성이 떨어지는 것을 확인하였고 그 이유는 다음과 같다.
이러한 유리들의 내플라즈마 특성은 유리와 반응가스 사이에서 형성된 불화물, 할로겐화물의 비등점 또는 승화점이 높은것과 관련된다는 것을 밝혔다. 본 연구진은 선행연구에서[8] 확인된 CAS계 내플라즈마 유리를 소결 알루미나 표면에 스프레이 코팅하였고, CAS 유리 소성막에서 점성 소결 뿐만 아니라 결정화가 수반되는 소결 거동을 관찰하였다[9].
표준 물질인 쿼츠, 다결정 알루미나 소결체, 사파이어의 플라즈마 식각 전 후 미세구조 변화를 비교하였다 (Fig. 4).

대상 데이터

유리 조성물은 SiO₂(99.9 %, Kojundo, Japan), Al(OH)₃ (99.9 %, Kojundo, Japan), CaCO₃(99.9 %, Kojundo, Japan) 의 시약을 사용하였고, 100 g 단위로 측정된 분말을 3D 믹서(3차원 혼합기, 고려기연, Korea)에서 3시간 동안 혼합하였다. 혼합물을 백금 도가니에 넣고 1600^o C에서 2시간 용융 후, 흑연 몰드에 부어 냉각하였다.
이 연구에서는 이전 연구에서[8] 내플라즈마 특성이 우수했던 CaO-Al₂O₃-SiO₂₍CAS) 유리 중 한 조성을 선택하였으며, Table 1에 유리 조성의 특성에 대하여 나타내었다. 유리 전이 온도(T_g), 연화점(T_dsp) 및 열팽창 계수 (coefficient of thermal expansion, CTE)는 열기계 분석 기(Q 400EM, TA Instruments, USA)로 측정하였다.

데이터처리

CAS 유리 소성막의 조도와 CF₄ 플라즈마 에칭 후 식각율 간의 상관관계에 대해서 통계적 분석을 행하였다. 상관관계는 minitab의 적합선 평가를 통하여 분석되었다.
플라즈마 에칭 후 식각율 간의 상관관계에 대해서 통계적 분석을 행하였다. 상관관계는 minitab의 적합선 평가를 통하여 분석되었다. Figure 7에서 유리 코팅막의 조도와 식각율의 선형 적합선은 R2 (수정) = 78.
, Japan)를 사용하여 식각된 깊이를 측정하여 식각율을 산출하였다. 표준 물질과 CAS 유리, 소성막들의 에칭 전과 후 표면 미세구조를 주사전자현미경(Scanning Electron Microscopy, SEM)(JSM-6701F, JEOL, Japan)으로 비교 분석하였다.

이론/모형

유리의 반구 온도(Half sphere temperature)는 고온현미경 (HSM 1400*5008, Misura, Italy)으로 측정하였다. 유리의 결정화 온도는 시차열분석법(Simultaneous, TA Instruments, USA)으로 확인하였다.

성능/효과

1) CAS 유리 소성막의 표면 조도값과 식각율 간에는 통계학적으로 높은 상관성을 나타내며 소성막의 높은 표면조도가 빠른 식각을 유발하는 것으로 확인되었다.
2) 또한, CAS계 유리 코팅막은 조도가 낮은 고온 소성 일지라도, Ca 성분의 함량이 적고, Si 함량이 많은 크리스토발라이트 결정의 형성으로 인하여 Ca과 Ca 불화물 에 의한 내플라즈마 효과가 감소한 것으로 판단된다
적합선은 높은 R2 값을 갖으며, 이에 따라 X, Y 데이터가 선형 그래프에 잘 적합되는 것을 알 수 있다. 결과적으로, CAS 유리 소성막의 조도와 식각율은 통계학적으로 상관성이 높은 것으로 판단된다.
1000^°C 이상의 온도에선 표면에서 viscous 소결과 결정화가 발생하며 비교적 낮은 표면 조도를 나타내었다. 유리 소성막 표면 조도는 소성 온도가 증가할수록 전반 적으로 감소하는 경향을 보였다. 유리 소성막은 1200^o C 에서 유리 내부의 기포의 크기가 다시 커지며 팽창하였고 이와 더불어 조도가 증가하였다(Fig.

후속연구

따라서 CAS 소성막이 벌크와 같은 내플라즈마 특성 을 발현시키기 위해선 조도가 낮은 표면을 형성과 SiO₂ 성분이 높은 결정이 생성을 억제하기 위한을 위한 추가 연구가 필요할 것으로 생각한다.
고밀도, 고해상도의 반도체 및 디스플레이 제품이 출현함에 따라 소자의 크기를 감소시키는 연구의 필요성이 더욱 커지고있다. 이러한 고밀도 고해상도의 제품 제조시 미세한 패턴을 구현하기 위하여 다양한 식각 방법이 적용된다[1-3].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	건식 식각 공정의 특징은?	이러한 고밀도 고해상도의 제품 제조시 미세한 패턴을 구현하기 위하여 다양한 식각 방법이 적용된다[1-3]. 그 중 건식 식각 공정에서는 반응성 기체의 플라즈마 상태를 이용하여 막질을 화학적 및 물리적 반응으로 식각하여 회로를 구현한다. 이 때 식각 챔버를 이루는 세라믹 부품들의 플라즈마 식각에 대한 내구성 부족으로 인하여 주요한 오염 입자가 발생하게 되고, 이 입자들은 반도체 회로 불량 등의 문제를 야기하는 결함의 원인으로 작용한다[4-8].
	소자의 크기를 감소시키는 연구가 필요한 이유는?	고밀도, 고해상도의 반도체 및 디스플레이 제품이 출 현함에 따라 소자의 크기를 감소시키는 연구의 필요성이 더욱 커지고 있다. 이러한 고밀도 고해상도의 제품 제조시 미세한 패턴을 구현하기 위하여 다양한 식각 방법이 적용된다[1-3].
	건식 식각 공정에서 식각 챔버와 관련된 결함의 원인은 무엇인가?	그 중 건식 식각 공정에서는 반응성 기체의 플라즈마 상태를 이용하여 막질을 화학적 및 물리적 반응으로 식각하여 회로를 구현한다. 이 때 식각 챔버를 이루는 세라믹 부품들의 플라즈마 식각에 대한 내구성 부족으로 인하여 주요한 오염 입자가 발생하게 되고, 이 입자들은 반도체 회로 불량 등의 문제를 야기하는 결함의 원인으로 작용한다[4-8].

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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