Influence of Loading Position and Reaction Gas on Etching Characteristics of PMMA in a Remote Plasma System

(1)

Remote

플라즈마에서 위치 및 반응기체에 따른

PMMA

^{의 식각 특성 분석}

고천광·이원규^† 강원대학교화학공학과

200-701

강원도춘천시효자

2

동

192-1 (2006

^년

1

^월

5

^일^접수

, 2006

^년

6

^월

16

^일^채택

)

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

(Received 5 January 2006; accepted 16 June 2006)

요 약

유기고분자에대한건식식각공정으로

remote

플라즈마를이용하여유리표면에도포된

PMMA

의식각공정에관한 연구로플라즈마출력

,

반응가스

,

플라즈마발생원과의거리에대한식각특성을측정하였다

.

플라즈마발생원으로부터 멀어질수록플라즈마에의해발생된라디칼밀도로인해

PMMA

식각속도가감소하였다

.

플라즈마내에서발생된라

디칼에의해

PMMA

가제거되며

,

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 O

2

concentration in the etchant.

Key words: Remote Plasma, PMMA, Etch Rate, Loading Position 1. 서 론

반도체디바이스의고밀도화고속화가진행됨에따라트랜지스터 의선폭을위주로각패턴의미세화가요구되고있다

.

디바이스의 미세화와더불어공정기술중특히미세가공기술의확보가중요하

다

[1].

^{미세패턴을}^만드는데^건식식각^{공정면에서}^식각속도^향상

,

^식

각균일성향상및식각선택성향상이고려되어야한다

[2, 3].

박 막을식각하는데있어서

RIE(reactive ion etching), ECR(electron cyclotron resonance), ICP(inductively coupled plasma)

^등의^여러^가

지식각장비를이용하여진행하고있다

. RIE

^의^경우^높은^공정^압

력때문에고밀도플라즈마보다식각률이낮고

,

반응부산물이반응

로나시료에남을수있다는단점이있다

. ECR

의경우플라즈마내

에서자장의공간분포가국소적이므로대구경기판에서균일도가

떨어지는단점이있다

. ICP

^의^경우^상부의

RF

^전력으로^플라즈마

밀도를제어하고

,

^하부^전력으로^이온^에너지를^제어하여^식각함으

로써균일도를향상시킬수있다

[4-6].

^플라즈마^식각속도

,

^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

PMMA

의두께에서줄어든

PMMA

의두께를측정함으로써공정변수영향을관찰하였다

.

식각

후표면에존재하는

PMMA

의물리

,

화학적표면특성을위치및산

소

,

^질소와^수소의^조성비에^따른^{유기화합물의}^제거^효율^변화를

FTIR(fourier-transformation infrared)

과

AFM(atomic force microscope)

으로측정하여확인하였다

.

†

To whom correspondence should be addressed.

E-mail: [email protected]

(2)

484

^{고천광·이원규}

2. 실험 방법

Remote

플라즈마식각공정에사용된장치의개략도를

Fig. 1

에

나타내었다

. 13.56 MHz

의주파수를지닌

remote

플라즈마는내경

5.9 cm quartz

^관에^코일을^감아^플라즈마^영역을^{조절하였다}

.

^실험

에사용된기판은

1.5 cm

×

1.5 cm

크기의

slide glass

를사용하였으 며

,

평균분자량이

100,000

인

PMMA

와클로르포름을

1:10

의비율로 혼합하여사용하였다

.

클로르포름에용해된

PMMA

를

1,500 rpm

의 속도로스핀코팅하여

3

^µ

m

^두께를^{형성시켰다}

.

^글라스에^코팅된

PMMA

는코팅후

80

^o

C

에서건조과정을거쳤으며

,

습식식각과정 을거치지않았다

.

플라즈마발생에사용된반응가스와플라즈마출

력에의한

PMMA

의식각특성를관찰하였다

.

플라즈마발생원과의

거리에따른

PMMA

^의^{식각특성을}^알아보기^위해^플라즈마^반응기

내의시료의위치를

Fig. 2

처럼위치하였다

.

표면온도는

25

^o

C

로고 정하였으며

,

전체적인실험조건은

Table 1

에나타냈다

.

플라즈마발생원과의거리에따른

PMMA

식각속도와표면특성 변화를관찰하였다

.

식각속도를알아보기위해

Alpha-step(Alpha- step IQ, KLA Tencor)

^을^사용하여

PMMA

^식각^전후의^두께를^측

정하였으며

,

식각후표면에잔류하는

PMMA

의농도를측정하는 데에

FTIR(EXCALIBER Series, BIO-RAID)

을사용하였다

. Remote

플라즈마에의한식각공정후표면의거칠기변화를관찰하기위해

AFM(Nano Scope Multimode, Digital Instrument)

^을^{사용하였다}

.

3. 결과 및 고찰

플라즈마식각공정변수변화에따른

remote

플라즈마적용으로

제거된

PMMA

두께를측정하였다

.

반응시간에의해줄어든두께는

식각속도

(etching rate: Å/min)

^로^{환산하였고}

,

^공정변수^변화에^따른

식각속도를비교하였다

.

식각속도에영향을미치는공정변수로는플 라즈마출력

,

플라즈마반응기체

,

플라즈마발생원과의거리와노출 시간을선정하였고측정된식각속도를

Fig. 3

에나타내었다

. Fig. 3(a)

는플라즈마출력을

200 W

^로^고정한^상태에서^{반응시간을}

10

^분으

로하여플라즈마반응기체와플라즈마발생원과의거리에따른식 각속도를측정하였고

, Fig. 3(b)

는플라즈마발생원에서플라즈마출 력과반응기체변화에따른식각속도를측정하였다

.

PMMA

^가^코팅된^기판이^플라즈마^{발생원으로부터}^위치가^멀어

질수록식각속도는선형적으로감소하는경향이뚜렷하게나타났다

.

플라즈마에의해발생된라디칼밀도는플라즈마발생원으로거리 에따라감소하게되어식각속도가감소되는것으로사료된다

. Fig. 3(b)

는플라즈마출력증가에따른

PMMA

식각속도이며

,

플라즈마출

력의증가는플라즈마의밀도및이온전류밀도의증가를가져오며

이로인해표면의

PMMA

와반응하여제거율이증가하는것으로보

인다

. Fig. 3

에서는반응기체로산소

, 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(

^o

C) 25

^o

C

Reactant gas O

2

, Air, N

2

, N

2

+H

2

(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.

(3)

스에따른

PMMA

제거율을나타내었다

. PMMA

제거공정시반응 기체중산소의포함여부는식각속도에큰영향을끼치고있다

.

플

라즈마내에서산소분자의분해에의해표면의

PMMA

와반응할

수있는라디칼의발생의증가에의한것이다

.

^플라즈마^발생원에

서

200 W

의산소플라즈마출력일때

2430 Å/min

의최대식각속 도를보인다

.

PMMA

가

3

µ

m

두께로스핀코팅된글라스표면을각각산소와

air

^{플라즈마로}

30 sccm

^의^유량으로^유입하여

10

^분간^{식각공정을}

수행하였다

. Air

는질소와산소의유량비를

80:20

으로하여총

30 sccm

의유량으로한것이다

. Fig. 4

는산소플라즈마에의해

PMMA

가코팅된시편의위치와플라즈마출력에의해표면반응이일어난 후

FTIR

^를^측정한^결과이다

. Fig. 5

^는

air

^{플라즈마를}^의해^표면반

응이일어난후

FTIR

측정결과이다

.

각파장에서의원자단은

2,979 cm

^-1

: C-CH

3

, 2,948 cm

^-1

: -CH

2

-, 2,840 cm

^-1

: C-H stretch vibration groups -CH

3

and -CH

2

-

이고

,

스펙트럼은식각후글라스표면상에

잔류하고있는

PMMA

^의^농도를^나타내고^있다

[7].

^산소^플라즈마

에의해

PMMA

를식각하는동안부산물로는

H

2

O, CH

4

, CO, CO

2

등이있으며

, O

^*와

PMMA

와의주반응에의해생성되어배기펌프

에의해제거되게된다

[8].

시료의위치가플라즈마발생원으로부터

멀어질수록식각후표면에존재하는

PMMA

흡광도피크가증가 하고있다

.

^흡광도^피크의^세기^증가는^플라즈마^{식각공정에}^의해

줄어든

PMMA

의두께가작음을의미한다

. PMMA

의식각공정에

사용된시편의위치가플라즈마발생원으로부터거리가증가할수록 플라즈마에의해발생된라디칼및이온밀도가감소한다

.

플라즈마 출력이증가할수록원활한식각공정으로

2,800~3,000 cm

⁻¹영역에

서관찰되는흡광도피크의감소는글라스기판에남아있는

PMMA

가감소함을의미하고있다

.

Fig. 6

은질소플라즈마에의해

10

분간

PMMA

를식각후

FTIR

측정결과이다

.

낮은식각속도에서도알수있듯이질소플라즈마

에의해제거된

PMMA

^는^작으며

, FTIR

^에서^보이는^흡광도^피크에

큰변화가없음을확인할수있다

.

Fig. 7

은질소와수소가스로각각

29 sccm

과

1 sccm

의유량으로 유입시켜

10

분간플라즈마출력과플라즈마발생원과의거리에따

른식각후

FTIR

^측정^결과이다

.

^질소와^수소^{플라즈마에}^의한^식

각에서

PMMA

제거매개체로사용되는수소이온이나전자그밖

의화학적으로반응성이있는라디칼들은수소플라즈마에의해발 생된다

.

비교적불활성에가까운기체의플라즈마로부터화학적으 로반응성이있는입자들

(

^이온

,

^전자

,

^라디칼

)

^이^생성되고

,

^이러한

입자들의흐름이시편표면과화학적반응을일으켜휘발성이강한 기체가되어탈착됨으로써식각효과가나타나게된다

.

수소플라즈 마에서생성된반응성을가진수소원자는비교적작은질량과낮 은에너지를갖기때문에수소플라즈마를이용한유기화합물의반 응은스퍼터링에기인하기보다는화학적인반응에의하여이루어진 다

[9].

Fig. 4. FTIR spectra as a function of RF power and loading position during remote O

2

plasma etching: (a) site

^①

, (b) site

^②

, (c) site

^③

, (d) site

^④

.

(4)

486 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 N

2

plasma etching: (a) site

^①

, (b) site

^②

, (c) site

^③

, (d) site

^④

.

(5)

Fig. 8

은

remote

플라즈마식각공정에의해

PMMA

표면현상에 어떠한영향을주는가를알아보기위해반응기체를변수로하여표 면거칠기를나타낸것이다

.

^플라즈마^처리^없는

PMMA

^{표면거칠기}

가

1.55 Å

였다

.

시편의위치가플라즈마발생원

,

상온의공정조건으 로

10

분간산소플라즈마로처리한

PMMA

의표면거칠기는

11.23 Å

으로나타났다

(Fig. 8(a)). Air

와질소플라즈마로처리한

PMMA

의 표면거칠기는

10.95 Å, 2.57 Å

^으로^플라즈마^{반응기체로}^산소의^함

유량이감소할수록처리후

PMMA

표면거칠기가감소하는것으로 나타나고있다

(Fig. 8(b), (c)).

산소플라즈마내에서산소이온충

돌에의해휘발성물질로전환되는에싱효과로표면거칠기가증가 하게된다

.

4. 결 론

본실험에서는유기고분자에대한건식식각공정으로플라즈마를

이용하여유리표면에코팅된

PMMA

^의^식각^특성에^관하여^조사

하였다

.

플라즈마발생원으로부터거리에따라

PMMA

식각속도에 대해알아보았다

.

플라즈마발생원으로부터거리가멀어질수록플

Fig. 7. FTIR spectra as a function of RF power and loading position during remote N

2

+H

2

(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) O

2

, (b) Air, (c) N

2

.

(6)

488

라즈마에의해발생된라디칼밀도감소로인해

PMMA

^식각속도

가감소하였다

.

플라즈마반응기체로산소의포함여부는

PMMA

제거에있어서큰영향을주며반응기체중산소의함유량이증가 할수록식각속도는증가함을나타내었다

.

플라즈마출력이증가할

수록

PMMA

^의

FTIR

^흡광도^피크의^세기는^감소하며

,

^플라즈마^발

생원으로부터시편의위치가멀어질수록흡광도피크의세기는증 가하였다

.

플라즈마내에서발생된입자들

(

이온

,

전자

,

라디칼

)

에의

해

PMMA

가제거되며

,

플라즈마출력과플라즈마발생원과의거리

는

PMMA

^의^{표면반응에}^영향을^주고^있음을^알^수^있었다

.

^플라즈

마세정후

PMMA

표면거칠기는산소유량이증가할수록이온충

돌에의한에싱효과로인해증가함을알수있었다

.

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