Remote 플라즈마에서 위치 및 반응기체에 따른 PMMA 의 식각 특성 분석
고천광·이원규† 강원대학교화학공학과
200-701 강원도춘천시효자 2동 192-1 (2006년 1월 5일접수, 2006년 6월 16일채택)
Influence of Loading Position and Reaction Gas on Etching Characteristics of PMMA in a Remote Plasma System
Cheonkwang Ko and Wongyu Lee†
Department of Chemical Engineering, Kangwon National University, 192-1, Hyoja 2-dong, Chunchon, Kangwon 200-701, Korea
(Received5 January 2006; accepted 16 June 2006)
요 약
유기고분자에대한건식식각공정으로 remote 플라즈마를이용하여유리표면에도포된 PMMA의식각공정에관한 연구로플라즈마출력, 반응가스, 플라즈마발생원과의거리에대한식각특성을측정하였다. 플라즈마발생원으로부터 멀어질수록플라즈마에의해발생된라디칼밀도로인해 PMMA 식각속도가감소하였다. 플라즈마내에서발생된라
디칼에의해 PMMA가제거되며, 플라즈마출력이증가할수록 PMMA 표면과반응하는라디칼증가로식각속도는선
형적으로증가하였다. 식각기체에서산소의양이증가함에따라식각속도증가와더불어식각표면의거칠기도증가 함을알수있었다.
Abstract− Etching process of PMMA (Polymethyl Methacrylate) on glass surface was investigated by dry etching technique using remote plasma. To determine the etching characteristics, the remote plasma etching was conducted for various process parameters such as plasma power, reaction gas and distance from plasma generation. As the distance from the plasma generation was increased, the etch rate of PMMA was linearly decreased by radical density in plasma.
PMMA has removed by reactive radicals in the plasma. The etch rate increased with plasma power because of more reactive radicals. The etch rate and surface roughness of PMMA increased with O2 concentration in the etchant.
Key words: Remote Plasma, PMMA, Etch Rate, Loading Position 1. 서 론
반도체디바이스의고밀도화고속화가진행됨에따라트랜지스터 의선폭을위주로각패턴의미세화가요구되고있다. 디바이스의 미세화와더불어공정기술중특히미세가공기술의확보가중요하
다[1]. 미세패턴을만드는데건식식각공정면에서식각속도향상, 식
각균일성향상및식각선택성향상이고려되어야한다[2, 3]. 박 막을식각하는데있어서 RIE(reactive ion etching), ECR(electron cyclotron resonance), ICP(inductively coupled plasma) 등의여러가
지식각장비를이용하여진행하고있다. RIE의경우높은공정압
력때문에고밀도플라즈마보다식각률이낮고, 반응부산물이반응
로나시료에남을수있다는단점이있다. ECR의경우플라즈마내
에서자장의공간분포가국소적이므로대구경기판에서균일도가
떨어지는단점이있다. ICP의경우상부의 RF 전력으로플라즈마
밀도를제어하고, 하부전력으로이온에너지를제어하여식각함으
로써균일도를향상시킬수있다[4-6]. 플라즈마식각속도, 선택도
그리고균일한반응성은반응기체의종류, 반응기형태, 공정조건 등많은변수에의해영향을받을수있으므로식각공정을정확하 게제어하는일은매우어렵다.
본연구에서는 LIGA(lithographie galvanoformung abformung) 공
정에서 감광물질로써널리 사용되는 PMMA(polymethyl metha- crylate)의식각특성에대해알아보았다. 산소, 질소와수소분위기
에서 remote 플라즈마를이용하여글라스표면위에도포된 PMMA
의식각특성을플라즈마발생원으로부터의거리에따라분석하였다.
플라즈마에의한식각효과는초기 PMMA의두께에서줄어든
PMMA의두께를측정함으로써공정변수영향을관찰하였다. 식각
후표면에존재하는 PMMA의물리, 화학적표면특성을위치및산
소, 질소와수소의조성비에따른유기화합물의제거효율변화를 FTIR(fourier-transformation infrared)과 AFM(atomic force microscope)
으로측정하여확인하였다.
†To whom correspondence should be addressed.
E-mail: [email protected]
484 고천광·이원규 2. 실험 방법
Remote 플라즈마식각공정에사용된장치의개략도를 Fig. 1에
나타내었다. 13.56 MHz의주파수를지닌 remote 플라즈마는내경
5.9 cm quartz 관에코일을감아플라즈마영역을조절하였다. 실험
에사용된기판은 1.5 cm×1.5 cm 크기의 slide glass를사용하였으 며, 평균분자량이 100,000인 PMMA와클로르포름을 1:10의비율로 혼합하여사용하였다. 클로르포름에용해된 PMMA를 1,500 rpm의 속도로스핀코팅하여 3µm 두께를형성시켰다. 글라스에코팅된 PMMA는코팅후 80oC에서건조과정을거쳤으며, 습식식각과정 을거치지않았다. 플라즈마발생에사용된반응가스와플라즈마출
력에의한 PMMA의식각특성를관찰하였다. 플라즈마발생원과의
거리에따른 PMMA의식각특성을알아보기위해플라즈마반응기
내의시료의위치를 Fig. 2처럼위치하였다. 표면온도는 25oC로고 정하였으며, 전체적인실험조건은 Table 1에나타냈다.
플라즈마발생원과의거리에따른 PMMA 식각속도와표면특성 변화를관찰하였다. 식각속도를알아보기위해 Alpha-step(Alpha- step IQ, KLA Tencor)을사용하여 PMMA 식각전후의두께를측
정하였으며, 식각후표면에잔류하는 PMMA의농도를측정하는 데에 FTIR(EXCALIBER Series, BIO-RAID)을사용하였다. Remote
플라즈마에의한식각공정후표면의거칠기변화를관찰하기위해
AFM(Nano Scope Multimode, Digital Instrument)을사용하였다.
3. 결과 및 고찰
플라즈마식각공정변수변화에따른 remote 플라즈마적용으로
제거된 PMMA 두께를측정하였다. 반응시간에의해줄어든두께는
식각속도(etching rate: Å/min)로환산하였고, 공정변수변화에따른
식각속도를비교하였다. 식각속도에영향을미치는공정변수로는플 라즈마출력, 플라즈마반응기체, 플라즈마발생원과의거리와노출 시간을선정하였고측정된식각속도를 Fig. 3에나타내었다. Fig. 3(a)
는플라즈마출력을 200 W로고정한상태에서반응시간을 10분으
로하여플라즈마반응기체와플라즈마발생원과의거리에따른식 각속도를측정하였고, Fig. 3(b)는플라즈마발생원에서플라즈마출 력과반응기체변화에따른식각속도를측정하였다.
PMMA가코팅된기판이플라즈마발생원으로부터위치가멀어
질수록식각속도는선형적으로감소하는경향이뚜렷하게나타났다.
플라즈마에의해발생된라디칼밀도는플라즈마발생원으로거리 에따라감소하게되어식각속도가감소되는것으로사료된다. Fig. 3(b)
는플라즈마출력증가에따른 PMMA 식각속도이며, 플라즈마출
력의증가는플라즈마의밀도및이온전류밀도의증가를가져오며
이로인해표면의 PMMA와반응하여제거율이증가하는것으로보
인다. Fig. 3에서는반응기체로산소, air, 질소, 질소와수소혼합가
Fig. 1. Schematic diagram of the remote plasma etching system.
Fig. 2. Sample positions in the plasma cleaning chamber (①: plasma generated center).
Table 1. Parameters of plasma cleaning condition
Parameter Variable condition
RF power(W) 100, 150, 200 W
Exposed Time(min) 10 min
Gas flow rate(sccm) 30 sccm
Pressure(mtorr) 300 mtorr
Temperature(oC) 25 oC
Reactant gas O2, Air, N2, N2+H2(97:3)
Fig. 3. Etching rate with respect to plasma parameters: (a) loading position and reactant gas at 200W, (b) plasma power and reactant gas at plasma generated center.
스에따른 PMMA 제거율을나타내었다. PMMA 제거공정시반응 기체중산소의포함여부는식각속도에큰영향을끼치고있다. 플
라즈마내에서산소분자의분해에의해표면의 PMMA와반응할
수있는라디칼의발생의증가에의한것이다. 플라즈마발생원에
서 200 W의산소플라즈마출력일때 2430 Å/min의최대식각속 도를보인다.
PMMA가 3µm 두께로스핀코팅된글라스표면을각각산소와
air 플라즈마로 30 sccm의유량으로유입하여 10분간식각공정을
수행하였다. Air는질소와산소의유량비를 80:20으로하여총 30 sccm의유량으로한것이다. Fig. 4는산소플라즈마에의해 PMMA
가코팅된시편의위치와플라즈마출력에의해표면반응이일어난 후 FTIR를측정한결과이다. Fig. 5는 air 플라즈마를의해표면반
응이일어난후 FTIR 측정결과이다. 각파장에서의원자단은 2,979 cm-1 : C-CH3, 2,948 cm-1: -CH2-, 2,840 cm-1: C-H stretch vibration groups -CH3 and -CH2- 이고, 스펙트럼은식각후글라스표면상에
잔류하고있는 PMMA의농도를나타내고있다[7]. 산소플라즈마
에의해 PMMA를식각하는동안부산물로는 H2O, CH4, CO, CO2
등이있으며, O*와 PMMA와의주반응에의해생성되어배기펌프
에의해제거되게된다[8]. 시료의위치가플라즈마발생원으로부터
멀어질수록식각후표면에존재하는 PMMA 흡광도피크가증가 하고있다. 흡광도피크의세기증가는플라즈마식각공정에의해
줄어든 PMMA의두께가작음을의미한다. PMMA의식각공정에
사용된시편의위치가플라즈마발생원으로부터거리가증가할수록 플라즈마에의해발생된라디칼및이온밀도가감소한다. 플라즈마 출력이증가할수록원활한식각공정으로 2,800~3,000 cm−1영역에
서관찰되는흡광도피크의감소는글라스기판에남아있는 PMMA
가감소함을의미하고있다.
Fig. 6은질소플라즈마에의해 10분간 PMMA를식각후 FTIR
측정결과이다. 낮은식각속도에서도알수있듯이질소플라즈마
에의해제거된 PMMA는작으며, FTIR에서보이는흡광도피크에
큰변화가없음을확인할수있다.
Fig. 7은질소와수소가스로각각 29 sccm과 1 sccm의유량으로 유입시켜 10분간플라즈마출력과플라즈마발생원과의거리에따
른식각후 FTIR 측정결과이다. 질소와수소플라즈마에의한식
각에서 PMMA 제거매개체로사용되는수소이온이나전자그밖
의화학적으로반응성이있는라디칼들은수소플라즈마에의해발 생된다. 비교적불활성에가까운기체의플라즈마로부터화학적으 로반응성이있는입자들(이온, 전자, 라디칼)이생성되고, 이러한
입자들의흐름이시편표면과화학적반응을일으켜휘발성이강한 기체가되어탈착됨으로써식각효과가나타나게된다. 수소플라즈 마에서생성된반응성을가진수소원자는비교적작은질량과낮 은에너지를갖기때문에수소플라즈마를이용한유기화합물의반 응은스퍼터링에기인하기보다는화학적인반응에의하여이루어진 다[9].
Fig. 4. FTIR spectra as a function of RF power and loading position during remote O2 plasma etching: (a) site ①, (b) site ②, (c) site ③, (d) site ④.
486 고천광·이원규
Fig. 5. FTIR spectra as a function of RF power and loading position during remote air plasma etching: (a) site ①, (b) site ②, (c) site ③, (d) site ④.
Fig. 6. FTIR spectra as a function of RF power and loading position during remote N2 plasma etching: (a) site ①, (b) site ②, (c) site ③, (d) site ④.
Fig. 8은 remote 플라즈마식각공정에의해 PMMA 표면현상에 어떠한영향을주는가를알아보기위해반응기체를변수로하여표 면거칠기를나타낸것이다. 플라즈마처리없는 PMMA 표면거칠기
가 1.55 Å였다. 시편의위치가플라즈마발생원, 상온의공정조건으 로 10분간산소플라즈마로처리한 PMMA의표면거칠기는 11.23 Å
으로나타났다(Fig. 8(a)). Air와질소플라즈마로처리한 PMMA의 표면거칠기는 10.95 Å, 2.57 Å으로플라즈마반응기체로산소의함
유량이감소할수록처리후 PMMA 표면거칠기가감소하는것으로 나타나고있다(Fig. 8(b), (c)). 산소플라즈마내에서산소이온충
돌에의해휘발성물질로전환되는에싱효과로표면거칠기가증가 하게된다.
4. 결 론
본실험에서는유기고분자에대한건식식각공정으로플라즈마를
이용하여유리표면에코팅된 PMMA의식각특성에관하여조사
하였다. 플라즈마발생원으로부터거리에따라 PMMA 식각속도에 대해알아보았다. 플라즈마발생원으로부터거리가멀어질수록플
Fig. 7. FTIR spectra as a function of RF power and loading position during remote N2+H2(97:3) plasma etching: (a) site ①, (b) site ②, (c) site ③, (d) site ④.
Fig. 8. AFM images of the surface exposed to remote plasma etching at the various reactant gas at sites: ① (a) O2, (b) Air, (c) N2.
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라즈마에의해발생된라디칼밀도감소로인해 PMMA 식각속도
가감소하였다. 플라즈마반응기체로산소의포함여부는 PMMA
제거에있어서큰영향을주며반응기체중산소의함유량이증가 할수록식각속도는증가함을나타내었다. 플라즈마출력이증가할
수록 PMMA의 FTIR 흡광도피크의세기는감소하며, 플라즈마발
생원으로부터시편의위치가멀어질수록흡광도피크의세기는증 가하였다. 플라즈마내에서발생된입자들(이온, 전자, 라디칼)에의
해 PMMA가제거되며, 플라즈마출력과플라즈마발생원과의거리
는 PMMA의표면반응에영향을주고있음을알수있었다. 플라즈
마세정후 PMMA 표면거칠기는산소유량이증가할수록이온충
돌에의한에싱효과로인해증가함을알수있었다.
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