Cl2/Ar 유도결합 플라즈마를 이용한 ZnO박막의 식각 특성

박진수,1 임연호,1 최창선,2 김태희2, 한윤봉1,*

전북대학교 화학공학부, 반도체과학기술학과

Etch Characteristics of ZnO films in Cl2 based

Inductively Coupled Cl2/Ar Plasmas

J. S. Park, Y. H. Im, C. S. Choi, T. H. Kim  and Yoon-Bong Hahn*

School of Chemical Engineering and Technology, Semiconductor Physics Research Center Chonbuk National University

서론

Zinc Oxide (ZnO)는 우수한 전기적, 광학적, 압전 특성으로 인하여 지난 수십년동안 연구가 진행되고 있는 재료로써 투명 전극(transparent conductive oxide), 광소자, 및 음향소자(surface acoustic wave)로의 응용 가능성이 있다. 특히 3.37 eV의 넓은 밴드갭을 갖고 있고, Mg 등의 첨가에 의해 밴드갭을 4 eV까지 변화시킬 수 있다. ZnO는 또한 상온에서 60 meV 의 높은 exiton 결합 에너지에 의해 UV를 방출할 수 있기 때문에 초록에서 자외선 영역의 LED 및, 레이저 다이오드를 개발할 수 있어 각종 display 장치 및, 통신, 고밀도 정보 저장장치등, 단파장 광원으로 사용될 수 있는 차세대 광소자용 재료로 주목받고 있다. 현재 GaN를 기본으로 하는 III족 질화물에 대한 광소자 연구가 활발히 진행되어 응용 단계까지 도달하였으나, ZnO는 GaN에 비해 상온 및 고온에서 동작할 수 있는 광소자를 개발할수 있는 장점이 있다., 또한 대부분의 GaN 기반 질화물은 박막성장시 1000oC 이상의 고온이 요구되지만 ZnO는 500oC정도의 비교적 낮은 온도에서 박막을 성장할수 있어 GaN에 비해 에피 성장시 용이한 장점을 갖고 있다.

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본 연구에서는 Planar type 유도결합 Cl2/Ar 플라즈마를 사용하여 여러 플라즈마 공정변수들을 변화시키면서 ZnO박막을 식각하였다. 식각 공정 변수들이 식각 속동와 ZnO 박막의 광학적 특성에 미치는 영향을 연구하였다.

실험

ZnO 박막은 사파이어 기판위에 MOCVD법으로 성장된 시료를 사용하였다. ZnO 박막의 건식 식각을 위해 사용된 장비는 평판형 유도결합 플라즈마(inductively coupled plasma)로서 13.56 MHz rf generator를 사용하였다. Ion에너지를 조절하는 역할을 하는 rf chuck power로서 역시 13.56MHz rf generator를 사용하였다. ICP source power는 300 W에서 800 W까지 변경하였고, rf chuck power는 50~250W 까지 변경하였다. 총 유속을 20 sccm으로 유지하면서 Cl2/Ar 기체 조성비는 Cl2 75 %, 50 %, 25 %, 0 %로 변경하면서 실험하였다.

* Author for correspondence. Email: ybhahn@moak.chonbuk.ac.kr.

결과 및 토의

ICP 소스 파워에 대한 ZnO의 식각 속도의 변화를 Figure 1 에 나타냈다. 다른 공정변수들이 고정되어 있을 때(압력 5mTorr, rf chuck power 150W, 5sccm Cl2/ 15sccm Ar) ICP 소스파워를 변경하면서 그에 따른 식각 속도변화를 관찰하였다. ICP파워가 증가함에 따라 식각 속도가 증가하다가 700W에서 가장 높은  (1600A/min) 식각 속도를 보였다.그 후 ICP파워가 증가함에 따라 700W 이상에서 식각 속도가 포화되는 경향을 보이고 있다.이는 다음과 같이 설명할 수 있다. 일반적으로 ICP 파워가 증가함에 따라 ion밀도가 증가한다. ZnO의 식각 속도가 증가한 것은 Ion의 밀도가 증가함에 따른 것으로 볼수 있는데 이는 ZnO의 식각 메커니즘이 Ion assisted etching mechanism임을 보여주는 예 라 할 수 있다. ICP power가 높은 영역에서 식각 속도가 오히려 감소한 것은 과도하게 생성된 ion flux에 의해 표면에 흡착된 반응 라디컬이 탈착되기 때문인 것으로 생각되고 된다.

Figure 2는 rf power에 따른 식각속도를 도시한 것이다. rf power가 증가함에 따라 식각 속도가 증가하는 경향을 보이고 있다. 역시 다른 공정변수들(압력 5mTorr, ICP power 700W, 5sccm Cl2/ 15sccm Ar)을 고정시킨후 rf power를 변경하여 식각속도를 측정하였다.일반적인 ICP장비에서 하부 전극에 인가되는 rf 전력은 ion 에너지를 조절하는 역할을 한다. 때문에 rf power가 증가함에 따라 ion에너지가 증가하게 되어 높은에너지를 가진 ion을 생성하게 된다. ion에너지가 높을 경우 ZnO의 결합을 효과적으로 절단할 뿐만 아니라, 식각후 생성물의 이온 스퍼터링에 의한 탈착을 용이하게 하는 역할도 하게 된다. 그로인하여 rf power가 증가함에 따라 식각 속도가 증가하게 되는 것이다.

Figure 3은 혼합가스에서 Cl2가스의 농도에 따른 식각속도 변화를 나타낸 그림이다. 압력 5mTorr, 700W ICP, 150W rf 일 때 혼합가스에서  Cl2 가스의 농도가 25% 일 때 가장 높은 식각 속도를 보이다 Cl2의 농도가 증가함에 따라 식각 속도가 감소하는 것을 볼 수 있다. Figure 4는 Cl2의 농도에 따른 플라즈마 밀도의 변화를 나타낸 그림으로 Cl2의 농도가 증가함에 따라 플라즈마 밀도가 감소하는 것을 알수 있다. 이 결과는 Cl2의 농도가 증가함에 따라 식각 속도가 감소하는 것을 잘 설명 할 수 있다. Cl2의 농도가 증가함에 따라 반응 라디컬의 농도는 높아지지만 반응에서 중요한 역할을 하는 ion 밀도가 감소되기 때문인 것으로 해석할 수 있다. 반면에 Ar 가스만으로는 식각이 되지 않는 것도 알 수 있다.

결론

본 연구에서는 Cl2/Ar을 이용하여 유도결합형 고밀도 플라즈마 식각시 주요 변수인 가스조성, rf power 및 source power에 따른 ZnO의 식각 속도를 측정하였다. 5sccm Cl2/15sccm Ar 혼합가스에서 최대 식각 속도 1600A/min의 속도를 얻었다. 또한 Cl2의 농도에 따른 식각 속도 변화는 Cl2가 25%일 때 가장높고 Cl2의 조성이 높아질수록 식각속도가 떨어지는 것을 관측하였다. ICP power가 증가함에 따라 식각 속도가 증가한후 700W 이후에 포화하는 경향을 관측할수 있었다.

Figure . Effect of ICP Source

power on the etch rate of ZnO

Figure 2. Effect of rf chuck power

on the etch rate of ZnO

Figure 3. Effect of Chlorine

concentration on the etch rate of ZnO

Figure 4. plasma density of Ar/Cl2 mixed discharge (5mTorr, 700W ICP)

참고문헌