반도체 소자의 집적도는 점점 증가하고, 직경 450mm 의 wafer 를 양산에 적용해야 하는 시점이 다가옴에 따라서 차세대 식각 장치가 갖추어야 할 기본적인 조건들이 점차 까다로워지고 있다. Wafer 의 전체 면적은 기존 대비 2배 이상 증가하였음에도 플라즈마 밀도의 균일도는 5% 이하를 유지해야 하며 안정적인 방전 특성은 물론 생산성 측면에서는 일정 수준 이상의 etch rate 도 보장해야 한다. 또한 용도와 목적이 다른, 혹은 다양한 AR (Aspect Ratio) 를 가지는 미세 pattern 을 식각하면서 발생할 수 있는 RIE lag 에 대해 적절하게 제어할 수 있어야 한다. 이와 관련하여 높은 성능을 가지는 플라즈마 식각 장치가 개발되었거나 개발 중인데, 그 중에서도 자화된 유도 결합 플라즈마 장치 (M-ICP) 는 기존의 유도 결합 플라즈마 (ICP) 장치에 약한 세기의 자기장을 인가하는 매우 간단한 방법으로 초고밀도의 플라즈마를 형성할 수 있음은 물론 물질의 높은 etch rate 을 보장할 수 있는 것으로 알려져 있다. 하지만 장치의 특성 관점에서, 플라즈마 밀도를 극대화하고 반경 방향에 대한 플라즈마 밀도의 균일도를 확보할 수 있는 자기장의 최적화된 공간 분포에 대한 연구가 아직은 부족한 실정이다. 또한 식각의 관점에서도, 100nm 미만의 폭을 가지는 초미세 pattern 의 etch rate 및 selectivity 특성에 관한 연구나 다양한 top CD 를 가지는 pattern 을 식각하면서 생길 수 있는 RIE lag 현상에 대해 심도 있게 연구가 이루어진 바가 없다.
본 논문에서는 ICP 장치에 복수의 전자석을 matching box 하단부, RF window 하단부, substrate 근처, TMP (Turbo Molecular Pump) 등 4곳에 설치하여 M-ICP 장치를 구성하고 대면적 공정의 관점에서 식각 환경에 최적화된 자기장의 공간 분포를 모색한 일체의 연구 결과에 대하여 소개하고자 한다. 먼저 시스템의 전체적인 구조 및 dimension 에 근거하여 설치될 전자석의 적정 반경 및 copper coil 의 감김 횟수 등을 개략적으로 설계해 보았다. 그리고 이론적으로는 Biot-Savart law 에 근거하여, 실험적으로는 FEMM 이라는 무료 배포용 소프트웨어를 활용하여 전자석의 각 부분에 일정 크기의 전류를 모두 시계 방향 (시스템 위에서 보았을 때의 인가 방향) 으로 인가하였을 때 substrate 중심에 인가되는 자기장의 세기와 substrate 중심으로부터 반경 방향 혹은 수직축 방향 (혹은 Substrate 중심으로부터의 수직 거리가 증가하는 방향) 으로 형성되는 자기장의 공간적인 분포를 예측해 보았다. 그리고 실제 전자석을 제작 및 설치한 후 비슷한 조건에서 실험한 결과가 예측한 결과와 매우 잘 맞아 떨어짐을 확인할 수 있었다.
그 다음, 구성한 M-ICP 장치를 바탕으로 대면적 공정에 최적화된 자기장의 공간 분포를 모색하기 위하여 각 전자석에 인가되는 전류의 방향 및 세기 등을 다양하게 바꾸어 보았다. 이론적으로는 플라즈마의 flute instability 를 억제하고 R-wave 가 process chamber 내부로 잘 전파할 수 있도록 하며 plasma confinement 효과를 극대화하기 위해 substrate 중심으로부터 반경 방향 혹은 수직축 방향으로 자기장의 세기가 증가하는 것이 바람직하다고 여겨지는데, 이러한 공간 분포는 TMP 부근에 위치한 전자석에 인가되는 전류를 반시계 방향 (시스템 위에서 보았을 때의 인가 방향) 으로 인가하여 형성할 수 있다. 이 밖에도 전자석의 적절한 제어를 통해 반경 방향 혹은 수직축 방향에 대한 자기장의 공간 분포를 7가지 정도로 (case 1 ~ case 7) 다양하게 조성해본 후 DLP (Dual Langmuir Probe) 를 활용하여 플라즈마 특성을 진단한 결과, 예상대로 반경 방향 혹은 수직축 방향으로 자기장의 세기가 증가할 때 플라즈마 밀도가 가장 높고, 플라즈마 밀도의 반경 방향에 대한 균일도가 높아 대면적 공정에 최적화된 환경을 조성할 수 있음을 확인할 수 있었다. 또한 식각 환경에 최적화되었다고 여겨지는 case 7 에 대하여 압력별로 플라즈마 밀도 및 전자 온도, 플라즈마 밀도의 균일도 등을 2차원적으로 측정하였고 M-ICP 장치가 ICP 장치 대비 플라즈마 밀도가 높고 플라즈마 밀도의 균일도도 우수함을 확인할 수 있었다. 전자 온도의 경우 M-ICP 장치 chamber 내부로 깊숙이 침투한 R-wave 에 의한 electron heating 의 영향으로 M-ICP 장치가 ICP 장치 대비 다소 높았으나, R-wave 의 침투가 이루어지지 않은 substrate 근처에서는 전자 온도가 거의 비슷하거나 약간 높은 경향성을 보였다.
또한, 본 논문에서 구성한 M-ICP 장치가 실제로 ICP 장치를 포함한 기타 식각 장치 대비 대면적 공정에 유리한 식각 환경을 조성할 수 있는지 살펴보기 위해 top CD 가 90, 110, 130, 160, 200nm 로 다양하게 분포하고 있는 산화물 기반의 HARC pattern 을 식각하는 실험을 진행하였다. 기본적으로는 ICP 장치 대비 M-ICP 장치에서의 ACL 및 oxide etch rate, Oxide-to-ACL selectivity 특성이 어떻게 나타나는지 살펴보았으며 특히 bias frequency, magnetic flux density, gas pressure, bias power, source power, gas ratio 등의 다양한 process parameter 에 따라 profile 의 형상 (특히 식각이 진행됨에 따른 Top, bowing, bottom CD 의 변화 관점에서) 이나 RIE lag 특성이 어떻게 달라지는지 자세히 연구하였다. 그 결과 M-ICP 장치에서 식각한 샘플의 oxide etch rate 및 Oxide-to-ACL selectivity 가 ICP 장치 대비 높을 뿐만 아니라, magnetic flux density, gas pressure, bias power 등의 제어를 통해 RIE lag 를 약 6% 미만의 수준까지 크게 개선할 수 있음을 확인할 수 있었다. 또한 DLP 및 SLP 를 활용하여 플라즈마 밀도, 전자 온도 및 EEPF (Electron Energy Probability Function) 등을 측정하고 actinometric optical emission spectroscopy (A-OES) 를 활용하여 process parameter 에 따른 공간 내 radical 분포 특성을 살펴 보았으며 ion energy analyzer (IEA) 를 활용해 ion energy distribution 및 ion flux 등을 파악해 봄으로써 M-ICP 장치가 보여주는 일체의 식각 특성에 대해 보다 정확하게 이해할 수 있었다. 궁극적으로는 M-ICP 장치가 대면적 공정에 유리할 뿐만 아니라 자기장과 압력의 조절을 통해 공정 제어를 원활하게 할 수 있음을 알 수 있었다.
플라즈마를 이용하는 대표 기술이 반도체 분야에서는 건식 식각 공정이라면 디스플레이 분야에서는 PDP (Plasma Display Panel) 라고 할 수 있다. PDP 는 플라즈마 방전에 의해 생성된 VUV 가 형광체를 여기하여 가시 광선을 방출하는 자발광 소자로서 대형화가 용이하고 시야각이 매우 넓다. 1964년 미국 일리노이 대학에서 발표한 플라즈마 표시 장치가 오늘날의 AC PDP 의 시조이며 이후 본격적인 연구 개발을 통해 1990년대 초반 일본 기업에서 상품을 출시하기 시작하였다. 그리고 1990년대 후반부터는 한국 기업들도 PDP 시장에 진출하여 일본 기업들과 치열한 시장 경쟁을 벌여 나갔다. 2010년 이후에는 중국의 Haier 社 도 PDP TV 개발에 지속적으로 투자해오고 있다. 그러나 안타깝게도 LCD, OLED TV 와의 경쟁에서 우위를 점하지 못하여 전체적인 PDP TV 시장 규모는 점차 줄어들고 있는 추세다. 결국 2013년에는 일본의 대표적인 PDP TV 생산 업체인 Panasonic 社 가 PDP 시장에서 철수하였고 현재는 한국의 삼성 SDI 와 LG 전자가 중국 기업의 추격 속에 PDP TV 시장을 이끌고 있다.
PDP 가 디스플레이 시장에서 우수한 경쟁력을 확보하기 어려운 이유는 여러 가지 장점에도 불구하고 타 디스플레이 소자 대비 전력 소모량이 높기 때문이다. 더군다나 U.S. Environmental Protection Agency (EPA) 는 가전 제품의 전력 소비량을 해마다 더 엄격하게 규제하고 있는 실정이다. 그러나 최근 몇 년간 2차 전자 방출 계수가 높은 신 보호막의 적용을 통해 PDP 의 발광 효율을 획기적으로 개선한 연구 결과들이 발표되면서 그간 지적되어 온 전력 소모 문제를 해결할 돌파구를 마련할 수 있게 되었다. 다만 그간의 연구가 방전 효율 개선에 집중되다 보니 신 보호막을 적용한 PDP 의 구동 특성에 대한 연구가 제대로 이뤄지지 않았다. 하지만 영화 ‘아바타’ 를 계기로 3D PDP 의 보급이 확대되면서 발광 효율 뿐만 아니라 PDP 의 response time 을 단축시키는 것도 주요 화두로 부각되고 있는 만큼, 신 보호막을 적용한 PDP 의 구동 특성은 자세히 연구해 볼 필요가 있다. 따라서 본 논문을 통해 신 보호막을 적용한 PDP 의 구동 특성을 자세히 다루어 보았고 이에 더하여 PDP 의 address discharge time lag 를 개선하기 위한 새로운 파형 설계에 집중하였다. 그 결과, 신 보호막을 PDP 에 적용하여 방전 전압은 40V 이상 낮추고 발광 효율은 40% 이상 개선하면서도 제안된 파형을 이용하여 address discharge time lag 를 550ns 이상 단축할 수 있었다. 또한 장시간의 방전을 통해 확인한 수명도 신 보호막을 적용한 PDP 가 기존의 MgO 를 적용한 PDP 대비 동등 이상 수준인 것으로 나타냈다.


주요어 : 플라즈마 밀도, 전자 온도, DLP (Dual Langmuir Probe), R-wave, ICP (Inductively Coupled Plasma), M-ICP (Magnetized ICP), HARC (High Aspect Ratio Contact hole), Oxide etch rate, Oxide-to-ACL selectivity, RIE lag, Top CD, Bowing CD, SLP (Single Langmuir Probe), EEPF (Electron Energy Probability Function), IED (Ion Energy Distribution), Ion flux, A-OES (Actinometric Optical Emission Spectroscopy), PDP (Plasma Display Panel), Luminance, Luminous efficacy, sustain voltage margin, formative delay, statistical delay, address discharge time lag, lifetime

학번 : 2009-30211