플라즈마 에칭 시스템에서의 플라즈마-이온-타겟 충돌 분석

플라즈마란?

그림 1: 물질의 4가지 상태

보통 물질은 고체, 액체, 기체로 구분되지만, 기체를 더욱 가열하면 플라즈마를 만들어낼 수 있습니다.

그래서 플라즈마는 물질의 “제4의 상태”라고 불립니다.

이온, 전자, 원자 같은 입자들이 서로 충돌하면서 플라즈마가 생성되는 거예요.

어떤 환경에서 플라즈마가 생성되나요?

플라즈마는 주로 태양과 같은 초고온 영역이나, 기체에 높은 전압이 인가되었을 때 발생합니다.

이번에는 PIC-PLASMA 3D(플라즈마 해석 소프트웨어)를 사용하여 산업용 플라즈마 식각 장치를 해석해 보겠습니다.

플라즈마 식각 장치는 플라즈마 속의 활성종과 이온을 이용하여 재료 표면을 깎아내는 장치입니다. 반도체 제조에서는 실리콘, 절연막, 금속막을 미세 가공하기 위해 널리 사용됩니다.

그림 2: 플라즈마 식각의 개념도

기본 원리는 아래와 같습니다.

1. 진공 용기 내부에 반응성 가스를 도입하고, 여기에 고주파 전력을 가합니다.
2. 가스를 방전시켜 플라즈마를 발생시킵니다.
3. 화학적 작용과 물리적 작용의 조합으로 타깃 재료를 제거합니다.

장치 내부에서는 기판을 놓는 전극에 고주파를 인가함으로써 자기 바이어스 전압이 발생하고, 이온이 기판에 거의 수직으로 입사하기 쉬워집니다. 따라서 미세한 패턴을 옆으로 퍼뜨리지 않고 깊고 정밀하게 가공할 수 있습니다.

플라즈마 식각 장치의 특징은 다음과 같습니다.

• 미세 가공에 적합함
• 이방성 가공이 가능함
• 반응 가스를 선택하여 재료별 선택성을 부여할 수 있음

이와 같은 점이 특징입니다.

한편,

• 과도한 이온 충격에 의한 기판 손상
• 마스크의 마모
• 반응 생성물의 재부착

등이 과제가 됩니다.

즉, 플라즈마 식각 장치는 진공 중에서 발생시킨 플라즈마의 화학 반응성과 이온 충격을 이용하여 재료 표면을 정밀하게 제거하는 장치입니다.

플라즈마 식각 장치 내 타깃에 대한 부하 해석

PIC PLASMA 3D를 사용하여 플라즈마 식각 장치 내부의 플라즈마가 타깃에 충돌하는 시뮬레이션을 수행해 보겠습니다.

해석 모델은 아래와 같습니다.

해석 모델

그림 3: 플라즈마 식각 장치의 해석 모델

위와 같은 플라즈마 식각 장치 모델을 작성하고, 챔버 내부 플라즈마의 궤적 해석을 수행했습니다.

또한 플라즈마의 발생 메커니즘은 아래와 같습니다.

그림 4: 플라즈마 생성 과정

해석 조건

해석 조건은 다음과 같습니다.

이러한 초기 조건은 소프트웨어(PIC-PLASMA 3D) 내부에서 설정할 수 있습니다.

그림 5: PIC-PLASMA 3D에서의 해석 조건 설정

해석 결과

그림 6: 플라즈마 식각 장치 내부의 플라즈마 해석 결과

그림 7: 타깃 플라즈마의 누적 충돌 에너지

위 자료는 실제로 PIC-PLASMA 3D로 계산한 실제 해석 결과입니다.

그림 6은 플라즈마 내 이온(Ar⁺)의 거동을 애니메이션으로 시각화한 것입니다.

그림 7은 타깃과 플라즈마의 누적 충돌 에너지(운동 에너지)를 보여줍니다.

가스 방전에 의해 발생한 플라즈마 내 이온이 타깃에 충돌하고 있음을 확인할 수 있네요.

이 충돌 에너지에 의해 타깃 재료를 미세하게 깎아낼 수 있는 거예요!

또한 이번에 사용한 CAD 모델은 간단하게 제작된 것이므로, 전극 전압 및 기타 조건 설정도 단순화되어 있습니다.

또한 PIC-PLASMA 3D에서는 위 계산 결과 외에도 다양한 데이터를 출력할 수 있습니다.

※ 위 내용은 예시 중 하나입니다. 플라즈마 제품 개발에 PIC-PLASMA 3D를 꼭 활용해 보시기 바랍니다.