RIE(Reactive Ion Etching)에 대해 알아보기(feat. 플라즈마의 원리)

안녕하세요 Jista입니다.

 

오늘은 Reactive Ion Etching에 대해 알아보겠습니다. 플라즈마의 개념을 알아야해서 살짝 어렵더라구요.

그래서 RIE에 대해 알기전 플라즈마에 관해 간략히 설명을 드릴게요.

 

플라즈마는 제 4의 물질로 알려져있습니다. 아마 고등학교때까지는 모든 물체가 고체,액체,기체로만 이루어져있다고 배웠을겁니다. 하지만 기체에 아주 강한 에너지를 가해주면 플라즈마 상태라는 것이 생깁니다.

위 그림을 보시면 고체에 에너지(혹은 열)을 가하면 분자사이의 몇몇 결합이 끊어져 액체가 됩니다.

마찬가지로 액체에 에너지를 가하면 분자사이의 결합이 끊어져 기체가 됩니다. 이때까지만 해도 +와 -는 원자에 속해있기 때문에 원자 하나하나 개별로 봐도, 전체적(원자들의 집단)으로 봐도 중성입니다.

액체에 강한 에너지를 가하면 제4의 물질인 플라즈마가 됩니다. 하지만 플라즈마는 고체, 액체, 기체와는 다른 큰 차이점이 있습니다.

바로 양성자와 전자가 분리된다는 점인데요.

우리가 아는 원자는 이렇게 양성자,중성자 주위를 전자가 도는 구조입니다. 고체, 액체, 기체 그림을 보셔도 초록색 +와 초록색 -가 원안에 '같이' 있습니다. 하지만 액체에 강한 에너지를 가하게되면 더 이상 원자간에 끊어질 결합이 없어서 양성자와 전자의 관계가 끊어집니다. 

그림1의 플라즈마를 보시면 양성자(주황색 원)와 전자(검정색 원) 이 나뉘어져있죠? 고체, 액체, 기체에서는 둘이 붙어있었다 이겁니다. 그러나 너무 많은 힘을 가하다보니 이젠 양성자와 전자까지 따로 분리되는 상태가 된거에요. 이게 바로 플라즈마 입니다. 플라즈마상태인 전자의 수가 많아지면(따로 노는 전자가 많아지면), Random하게 움직이던 전자가 일사분란하게 같은 방향으로 움직이는 전자로 바뀝니다.(바닷속 물고기 같은 느낌)

 

 

전자의 뭉치는 성질을 그림1의 플라즈마 부분에 표현해봤습니다. 국부적(local,일부분)으로 보면 왼쪽 위는 전자가 더 많은 - , 오른쪽 아래는 양성자가 더 많은 +를 띄게 됩니다. 하지만 전체적(파랑색 사각형)으로 보면 양성자 수와 전자 수가 같기 때문에 중성을 띄게 됩니다. 

 

Reactive Ion Etching(이하 RIE)는 보통 Fluorine(F)에 13.56MHz(Radio Frequency)를 가해서 플라즈마 이온으로 만듭니다.(다른 frequency도 가능하지만 13.56MHz가 제일 좋은 성능을 냈다함) 엄청 빠른 라디오 주파수의 에너지를 F에 가하는 것이죠. RF를 가하면 전자와 양성자는 빠른 frequency를 따라가지 못해서 서로 분리가 됩니다.

 

RIE를 이용하는 챔버내의 기본 구조 그림입니다. 1번과 4번처럼 전극(electrode)을 놔두고 5번(분홍색)에 etching할 substrate나 sample을 배열합니다. 2번 영역은 플라즈마 영역으로 전체적으로 보면 중성입니다. 위쪽에 -, 아래쪽에 +를 걸어줬기 때문에 플라즈마 이온중 F- 이온이 인력 및 전기장에 의해 아래로 빠르게 돌진합니다.

이 F- 이온은 substrate에 강하게 부딪혀 physical etching인 sputtering을 일으키거나 chemical etching인 'substrate속 원자과 결합한 뒤 분산' 을 일으킵니다.

 

보통 sputtering같은 경우는 위에서 아래로 빠르게 움직여서 부딪히니까 발생하잖아요. 방향성을 띈다는 의미입니다. 그렇기 떄문에 Anisotropic(이방성)을 띄며 etching이 됩니다. 한마디로 옆으로는 etching이 느리게 되고 아래로는 etching이 빠르게 된다는 의미입니다.

 

chemical etching은 기판의 원자와 결합한 뒤 떨어져 나가는 반응이라 방향성을 띄지 않습니다. 그렇기 때문에 어느 방향으로든 비슷한 속도로 etching이 되는 Isotropic(등방성)을 띄며 etching이 됩니다.

위 그림은 원하는 region만 etching을 시키기 위해 barrier로 photoresist를 덮어놓은 그림입니다.

 

RIE 실험 결과 정리 포스팅

RIE에 관한 실험 결과들을 정리해놓은 문헌입니다.

Oxide와 Ar의 영향, Si3N4 SiO2 Si 같은 물질에 따라 RIE가 어떻게 일어나는지 적어놨어요~