Y-Si-Al-O-N 옥시나이트라이드 유리를 이용한 내플라즈마 소재 개발

국문 초록 (Abstract)

급격한 반도체 산업의 발전에 의하여 미세 선폭화 및 고집적화를 위하여 반도체 에칭 공정조건은 더욱 가혹해지고 있다. 높은 선택도, 에칭속도, 비등방성 식각 특성의 많은 장점으로 인해 플라즈마 에칭공정은 반도체제조 공정에서 많은 부분을 차지하고 있다. 하지만 가혹해진 플라즈마 에칭공정으로 인하여 생산성감소등의 문제를 야기 시키는 입자오염이 큰 문제로 대두되었다. 상용적으로 알루미나, 이트리아 등의 다결정질의 물질이 사용되어 왔지만, 입계에서의 선택적 식각에 의하여 입자를 쉽게 발생시켜 새로운 물질의 개발이 시급한 실정이다. 그리하여 차후 플라즈마 공정 챔버용 소재는 높은 내플라즈마성을 가지면서도 입자오염을 방지할 수 있는 구조를 가져야한다.
플라즈마 에칭 메커니즘을 고려하여 볼 때, 플라즈마 에칭은 플라즈마에서 발생한 화학적 에천트에 의한 화학적 식각과 이온의 물리적인 충격에 의한 물리적 식각의 두 가지 에칭이 혼재되어 있다. 그리하여, 플라즈마 에칭에 대한 높은 저항성을 가지는 물질을 개발하기 위해서는 화학적 안정성이 높으면서도 기계적 물성 또한 물질을 개발할 필요가 있다. 입자오염 방지의 측면에서는 입계가 존재하지 않는 단결정이나 비정질의 물질이 적합할 것으로 판단된다.
옥시나이트라이드 유리는 산화물유리에서 2가인 산소가 3가인 질소와 부분적으로 치환된 유리를 말한다. 산소와 질소가 치환되면서 유리네트워크 구조 강화, 원자 충진 밀도의 증가에 따른 열적, 기계적, 화학적 안정성이 증가된다는 연구사례가 많이 보고되어 있으며 유리 고유의 비정질 구조를 가지고 있기 때문에 내플라즈마용 소재로서 높은 가능성을 판단되지만 아직 옥시나이트라이드 유리의 내플라즈마성에 대한 연구는 거의 전무한 상태이다.
본 연구에서는 질소의 양을 증가시키면서 Y-Si-Al-O-N 옥시나이트라이드 유리를 제조하였고, 질소의 양에 따른 물리·화학적 특성변화와 플라즈마 에칭 특성을 평가하였다. 질소가 치환됨에 따라 플라즈마 에칭에 대한 저항성은 증가하였으며, 비정질 구조로 인하여 입자오염방지에도 적합한 것을 알 수 있었다. 이런 물성의 향상은 유리 네트워크의 강화와 원자 충진 밀도에 기인한 것임을 몰부피, XPS분석을 통하여 확인할 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As the rapid progress in the microelectronics manufacturing industry such as display, semiconductor and MEMS, the etching process condition becomes highly critical due to the line width and the space becoming smaller and smaller. Plasma enhanced etching process has many advantages such as etch selectivity, etching rate and anisotropic etching characteristic. However, particles formed during the plasma deposition and the etching process cause serious problems such as decreased yield of productivity and low machine operating efficiency. The crystalline materials such as alumina and yttria have been utilized commercially as a material for the plasma processing chamber. However those materials have the grain boundary due to its crystalline structure and they may easily generate particles due to the selective etching at grain boundary. Therefore, it is necessary to develop the materials with high plasma etching resistance and non-crystalline structure to prevent the particulate contamination for the plasma processing chamber.
Considering plasma etching mechanism, the plasma etching is the combination of chemical and physical etching. When etchant species generated from the plasma they react with the target material and generate byproduct. These byproducts is desorbed from the surface of the target materials and diffused into convection flow. This chemical reaction between etchant species and the target material is accelerated by the ion bombardment effect. The ions collide with target material and break the binding of the target material. Moreover, the ions physically etch the surface of the target material when the energy is enough. Therefore, the material which has high mechanical properties and chemical resistance may have high plasma etching resistance.
Oxynitride glasses are the derivatives of the oxide glasses, where nitrogen is partly substituted for oxygen. In early studies, it is reported that the substitution of nitrogen in the oxide glasses improves mechanical and chemical properties and the improvements are related to the higher atom packing density, less polarized Si-N bond in comparison to the Si-O bond and denser cross-link in glass network. The oxynitride glasses have been interested as practical applications such as reinforcement material, nuclear waste glass, joining agent for structural ceramic due to their relatively improved properties than the oxide glasses. However, the effect of substitution of nitrogen in the glasses on anti-plasma etching properties has not been studied particularly.
In this paper, Y-Si-Al-O-N glasses were fabricated with increasing silicon nitride content added as a nitrogen source and their plasma etching characteristics are compared with other single crystalline materials to develop the material for the plasma processing chamber. The plasma etching depth was decreased with increasing silicon nitride content while the surface roughness variation was very small as well as the single crystalline material. From the results, Y-Si-Al-O-N oxynitride glass had sufficient anti-plasma etching property for plasma processing chamber.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 = 1
• Ⅱ. 이론배경 = 3
• 1. 플라즈마 공정 장비용 소재개발 기술 = 3
• 2. 플라즈마 식각 = 5
• 3. 옥시나이트라이드 유리 = 8
• 4. 내플라즈마성 = 14
• 5. XPS analysis = 16
• Ⅲ. 실험방법 = 20
• 1. 시료 및 조성 = 20
• 1.1 출발원료 = 20
• 1.2 옥시나이트라이드 유리의 조성 = 20
• 1.3 옥시나이트라이드 glass의 제조 = 21
• 2. 특성평가 = 25
• 2. 1 XRD 분석 = 25
• 2. 2 열분석 = 25
• 2. 3 밀도 & 몰부피 분석 = 25
• 2. 4 기계적 물성분석 = 26
• 2. 5 내화학성 분석 = 27
• 2. 6 플라즈마 에칭특성 분석 = 27
• 2. 7 에칭 표면 분석 = 27
• 2.8 XPS 분석 = 28
• Ⅳ. 결과 및 고찰 = 30
• 1. 특성 평가 = 30
• 1. 1 광학 이미지 & XRD 분석 = 30
• 1. 2 열·기계적 물성평가 = 32
• 1.3 화학에칭 특성 평가 = 35
• 2. 플라즈마 에칭 특성 평가 = 38
• 3. 밀도·몰부피 & XPS 분석 = 42
• Ⅴ. 결론 = 45
• Ⅵ. 참고문헌 = 46