Plasma surface treatment of PECVD-deposited SiCOH films for semiconductor interlayer dielectrics and polyethylene tubes for medical stents

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Plasma surface treatment is widely utilized across diverse fields due to its versatile characteristics. In this work, plasma surface treatment was applied to semiconductor and biomedical fields based on its interaction mechanisms.
Chapter 2 presents surface-treatment studies on SiCOH dielectric films for semiconductor multilevel interconnects using plasma-enhanced chemical vapor deposition. It consists of two experiments. In the first experiment, SiCOH films were deposited and treated with plasma to improve their properties. Among the tested gases, only He/H2 treatment reduced the dielectric constant to 2.69 and improved the leakage current density, indicating its potential as an effective method for SiCOH property enhancement. Subsequent damage-recovery experiments were conducted on degraded SiCOH films using N2 and NH3 gases. SiCOH damaged by O2 plasma (dielectric constant: 4.12) was almost completely restored after NH3 treatment (2.91), recovering to a level comparable to that before damage (2.90). This demonstrates the feasibility of recovering O2-induced plasma damage through NH3 treatment. Finally, it was proposed that He/H2 plasma treatment can be utilized to improve the properties of SiCOH films, while NH3 plasma treatment can be applied for the recovery of damage induced by O2 plasma.
Chapter 3 investigates plasma surface treatment of polyethylene (PE) tube to improve the resistance to biliary stent occlusion. This chapter consists of two experiments. In the first experiment, the He-treated PE tube, which exhibited the highest hydrophilicity and incorporated substantial amide (–CONH–) groups, showed the greatest suppression of Escherichia coli growth. In the second experiment, similarly, the He- and He/N2-treated PE tubes, which contained significant amounts of amide groups in their surfaces, exhibited the most pronounced reduction in cancer cell adhesion. These results indicate that enhancing surface hydrophilicity and introducing amide functionalities (amidation) on PE can effectively reduce biliary stent occlusion.

국문 초록 (Abstract)

플라즈마 표면처리는 그것이 가지는 다재다능함으로 인해 여러 분야에 걸쳐 활용도가 높다. 본 연구에서는 플라즈마 표면처리의 상호작용 매커니즘에 기반하여 반도체 및 생의학 분야 응용 연구를 수행하였다.
챕터 2에서는 반도체 다층배선용 유전체 박막들에 대한 표면처리 연구를 플라즈마 강화 화학기상증착법(PECVD)을 활용해 수행하였다. 챕터 2는 두 가지 실험으로 구성되었다. 첫 번째 실험은 SiCOH 박막을 증착한 뒤, 박막의 특성 개선을 목적으로 플라즈마 표면처리를 수행하였다. 유일하게 He/H2 플라즈마 처리만이 처리 전에 비해 유전상수가 2.69로 감소하였고 누설전류밀도도 개선되었다. 이를 통해, SiCOH 박막의 특성 개선 목적으로 He/H2 플라즈마 처리가 활용될 수 있음을 확인하였다. 다음으로는 첫 번째 실험에서 특성이 악화된 박막들을 대상으로 N2 및 NH3 플라즈마 환경에서 대미지 회복 실험을 진행하였다. O2 플라즈마에 의해 대미지를 받은 SiCOH 박막(유전상수: 4.12)이 NH3 플라즈마 처리 이후(2.91) 대미지를 받기 전 수준(2.90)까지 거의 완벽하게 회복되는 결과를 보였다. 따라서, O2 플라즈마에 의한 대미지를 NH3 플라즈마 처리로 회복시킬 수 있는 가능성을 확인하였다. 결과적으로, SiCOH 박막의 특성 개선으로는 He/H2 플라즈마 처리가, 그리고 O2 플라즈마에 의한 대미지 회복에는 NH3 플라즈마 처리가 활용될 수 있음이 제안되었다.
챕터 3에서는 담관스텐트 내부 막힘 현상을 개선하기 위해 폴리에틸렌(PE) 튜브 내부 표면에 대하여 플라즈마 표면처리 연구를 수행하였다. 챕터 3은 두 가지 실험으로 구성되었다. 첫 번째 실험에서는, 표면이 가장 친수성에 가까우며 아마이드(-CONH-) 그룹을 많이 포함하고 있는 He 플라즈마 처리된 튜브에서 대장균(Escherichia coli) 성장이 가장 억제됨을 확인하였다. 두 번째 실험에서도 마찬가지로, 표면에 아마이드(-CONH-) 그룹을 상당량 포함하고 있는 He 플라즈마 처리된 튜브와 He/N2 플라즈마 처리된 튜브에서 암세포 부착이 가장 억제되는 결과를 보였다. 최종적으로, 폴리에틸렌 튜브 표면의 친수성화 및 아마이드 그룹의 도입을 통해 담관스텐트 내부 막힘 현상을 개선할 수 있는 가능성이 제안되었다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Plasma surface treatment 1
• 1.2 Research backgrounds 6
• A. Applications in semiconductor interlayer dielectrics 6
• B. Applications in biliary stents 9
• References 13
• Chapter 2. Applications in semiconductor interlayer dielectrics 18
• 2.1 Materials and methods 18
• A. Plasma surface treatment of SiCOH films 19
• B. Plasma-damage recovery of degraded SiCOH films 20
• C. Characterization methods 21
• 2.2 Results and discussion 24
• A. Plasma surface treatment of SiCOH films 24
• B. Plasma-damage recovery of degraded SiCOH films 42
• 2.3 Conclusions 51
• References 52
• Chapter 3. Applications in biliary stents 56
• 3.1 Materials and methods 56
• A. Plasma surface treatment 57
• B. Characterization methods 59
• C. Adhesion assays 61
• D. Statistical analysis 63
• 3.2 Results and discussion 64
• A. The initial experiment 64
• B. The additional experiment 70
• C. Consideration of surface interaction mechanisms 76
• 3.3 Conclusions 79
• Overall summary 80
• References 82
• Appendix 86
• Appendix 1. Background theories used in this dissertation 86
• Appendix 2. Ellipsometer fitting method 128
• Appendix 3. Future works 134
• Abstract (in Korean) 135