ZnO박막의 Cl2/Ar, Cl2/H2/Ar, CH4/H2/Ar을 이용한 플라즈마 식각

박진수,1 한윤봉1

1. 전북대학교 화학공학부

Dry etching of ZnO thin films in Cl2/Ar, Cl2/H2/Ar and CH4/H2/Ar plasmas

Jin Soo Park,1 Yoon Bong Hahn1

1. School of Chemical Engineering and Technology, Chonbuk National University, Chonju 561-756, Korea

서 론

ZnO는 우수한 전기적, 광학적, 그리고 압전 특성으로 인해 지난 수 십년 동안 많은 연구가 수행되고 있는 재료로서, 표면 음향 소자(SAW), 투명 전극(TCO), 광소자1 등에 응용 가능성이 크다. 특히 ZnO는 CdO나 MgO를 첨가함으로써 2.8 - 3.3eV, 3.3 - 4eV의 밴드갭을 변화시킬수 있기 때문에 자외선 영역의 레이저 (laser)를 발진할 수 있는 차세대 광소자용 재료로 주목받고 있다2. 또한 ZnO는 Ga과 N를 이용한 codoping으로 p-type도핑의 가능성을 보여 광소자 개발의 가능성을 보였다3. 이러한 ZnO박막을 가공하여 고품질의 광소자를 제조하기 위해서 필요한 공정중 하나가 ZnO박막의 식각 공정이다. 기존의 몇몇 그룹에 의해 HNO3-HCl의 혼합산4 및 HF5에 의한 습식식각에 대한 보고가 있었으나 세부적인 습식식각 기술은 아직 보고되지 않았고,  건식 식각에 대한 자료는 드문 실정이다. 보다 고품질의 광소자 및 레이저발진소자 제조를 위해서는 수직한 식각 단면과 부드러운 식각표면, 그리고 높은 식각속도를 요구한다. 이러한 요구를 충족시키는 식각 방법으로 고밀도 플라즈마를 이용한 건식 식각방법이 있다.

본 연구에서는 이와 같은 요구를 잘 충족시켜주는 건식식각 방법중 ICP(inductively coupled plasma)를 이용하였고, Cl2/Ar, Cl2/H2/Ar, CH4/H2/Ar의 기체를 식각기체로 이용하여 각 식각기체의 조성을 변화시키면서 그에 따른 ZnO 박막의 식각 특성을 고찰하였다.

실 험 방 법

ZnO박막은 스퍼터링법을 이용하여 사파이어 기판위에 에피 성장시킨 박막을 이용하였다. ZnO박막을 식각하기 위해 소스파워 13.56 MHz의 ICP를 사용하였다. 또한 이온의 에너지를 제어하기 위해 역시 13.56 MHz의 chuck power를 공급하였다. ZnO박막의 하부전극은 냉각시스템에 의해 0 oC로 유지시켰으며 식각된 박막의 식각 속도는 □-step을 이용하여 측정하였다. 공정조건은 압력 5 mTorr, ICP source power 700 W, rf chuck power 150 W로 고정시킨 후 식각기체의 조성을 변경하면서 이에 따른 식각 속도 변화를 관측하고자 하였다.

식각 시간은 1분으로 고정하였고, 식각 마스크로 Carbon조성의 Apiezon wax를 마스크 물질로 사용하였다.

식각 기체는 Cl2/Ar, Cl2/H2/Ar, CH4/H2/Ar을 이용하였으며 Cl2/H2/Ar혼합기체의 경우 5sccmCl2/15sccmH2/5sccmAr, 10sccmCl2/10sccmH2/5sccmAr, 15sccmCl2/5sccmH2/5sccmAr의 조성으로 H2와 Cl2의 분율을 변경하면서 실험을하였고, CH4/H2/Ar의 경우5sccmCH4/15sccmH2/5sccmAr, 10sccmCH4/10sccmH2/5sccmAr, 15sccmCH4/5sccmH2/5sccmAr의 조성으로 H2와 CH4의 분율을 변경하면서 실험하였다. 광특성을 살펴보기 위해 photholuminecence (PL)를 이용하였고 Cl2/Ar혼합기체로 식각한 ZnO박막은 rf chuck power를 50, 100, 150, 200로 변경하면서 식각한후 그 광특성을 설펴 보았다.

결 과  및  분 석

그림 1은 Cl2/Ar혼합기체에서 Cl2의 분율 변화에 따른 ZnO박막의 식각속도를 나타낸다. 공정조건은 ICP 700W, rf 150W, 압력 5mTorr로 유지 시키면서 실험하였다. 일반적으로 Ar기체를 첨가함으로써 플라즈마를 안정화시키는 역할을 한다.  Cl2의 분율이 증가함에 따라 식각율이 떨어지는 것을 관측할 수 있으며 Cl2분율이 25%일 때 최대 1650□의 식각속도를 보이고 있다. 이는 Cl2의 분율이 증가함에 따라 플라즈마 밀도가 감소하기 때문이며 ZnO는 Cl2를 이용하여 식각할 경우 ZnCl2의 끓는점이 756 oC로 매우 높아 Cl2의 화학적인 반응에 의해서보다는 이온에 의한 물리적 식각이 더 우세함을 의미한다.

그림 2는 Cl2/Ar혼합기체에 H2를 첨가함으로써 식각 속도에 미치는 영향을 나타낸 그림이다. 공정조건은 ICP 700W, rf 150W, 압력 5mTorr로 유지하였으며, 전체 유속은 25sccm으로 일정하게 유지하였다. H2가 첨가됨에 따라 식각 속도는 최대 1900□으로 향상되었으며 Cl2가 증가함에 따라 식각 속도가 감소하는 경향을 보인다. H2는 전기적으로 양성이기 때문에 플라즈마내에 첨가됨으로써 이온밀도가 약간 증가하여 식각 속도가 증가한 것으로 생각할 수 있다.

그림 3은 CH4/H2/Ar혼합기체를 이용하여 ZnO박막을 식각할 때 CH4의 분율이 박막의 식각 속도에 미치는 영향을 나타낸 그림이다. 공정조건은 ICP 700W, rf 150W, 압력 5mTorr이고 전체 유속은 25sccm으로 일정하게 유지하였다. dc bias는 -115V로 거의 일정하였고 식각 속도는 CH4가 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였으며 분당 최대 2400□의 식각 속도를 나타내었다. CH4의 분율이 증가함에 따라 ZnO박막의 식각 속도가 증가하는 경향을 보이고 있으며 이는 Cl2와는 반대의 경향을 보이는 것으로 Zn(CH3)2의 끓는점이 46oC로 ZnCl2에 비해 매우 낮기 때문인 것으로 생각된다. 즉 Cl2와는 달리 CH4/H2/Ar혼합기체에서는 CH4와 ZnO의 화학적 반응이 활발하여 CH4의 분율이 증가할수록 식각 속도가 증가하는 것으로 생각된다.

ZnO박막의 식각후 PL을 사용하여 박막의 광특성을 측정하였다. 그림 4.는 5Cl2/15Ar혼합기체를 이용하여 ZnO 박막을 rf power를 변경하면서 식각한후 측정한 PL 데이터이다. As-grown sample은 3.29eV의밴드갭을 형성하고 있으며 Cl2/Ar혼합기체로 식각한후 밴드갭은 일정하나 as-grown sample에 비해 PL 강도가 감소한 것을 볼수 있다. 또한 rf chuck bias가 증가함에 따라 PL 강도가 현저히 감소하는 경향을 보이며 rf chuck bias가 100W 이상 일 때 PL 강도가 거의 사라짐을 알 수 있다.  이는 이온에 의한  ZnO박막의  손상에 기인한 것으로 생각된다.

그림 5는 CH4/H2/Ar혼합기체의 식각 후 PL 강도를 보인다. 식각후 밴드갭은 3.29eV를 유지하고 있으나 As grown sample에 비해 PL 강도는 감소하였으며 Cl2로 식각한 경우보다 그 차이가 적다. CH4의 농도가 짙을 경우 PL 강도가 떨어지는 것을 관측할 수 있다. 그러나 여전히 PL강도는 Cl2에 비해 강하다.

결 론

본 연구에서 ZnO박막의 ICP 장비를 이용한 여러 가지 혼합기체에서 기체 조성에 따른 식각 속도를 측정하였고, 식각 후 PL측정에 의해 광특성을 살펴 보았다. Cl2/Ar 혼합 기체에서는 최대 1450□/min의 식각 속도를 보였고,  H2를 혼합함으로써 ion 밀도가 증가되어 식각속도를 개선할 수 있어 최대 1900□/min의 식각 속도를 얻을 수 있었다. 이는 ZnO박막의 Cl2를 이용한 식각 메커니즘이 ion에 의해 향상된 식각 메커니즘임을 보여주고 있다.  그러나 Cl2/Ar혼합가스를 사용할 경우 이온에 의한 손상이 심해 ZnO박막의 광특성이 매우 나빠지는 결과를 보이며 rf chuck power를 증가시키며 그에 따른 PL특성을 분석한 결과 rf power가 증가할수록 광특성이 불량해지는 결과를 얻었다.

CH4/H2/Ar 혼합기체를 사용할 경우 CH4의 분율이 증가함에 따라  ZnO박막의 식각 속도가 증가되어 CH4의 분율이 60%일 때 최대 2400□/min의 식각 속도를 얻을수 있었다. 또한 이 조성에서 PL강도가 다른 경우보다 강하게 나타남을 알수 있다.

참 고  문 헌

1) P. Zu, Z. K. Tang, G. K. L. Wong, M. Kawasaki, A. Ohtomo, H. Koinuma, and Y. Segawa , Solid State Commun., 103, 459 (1997).

2) A. Ohtomo, M. Kawasaki, T. Koida, H. Koinuma, Y. Sakurai, Y. Yoshida, M. Sumiya, S. Fuke, T. Yasuda, and Y. Segawa, Mater. Sci. Forum, 264, 1463 (1998).

3) M. Joseph, H. Tabata, and T. Kawai, Jpn. J. App. Phys., 38, L1205 (1999).

4) Y. Li, G. S. Tompa, S. Liang, C. Gorla, Y. Lu, and J. Doyle, J. Vac. Sci. Technol. A, 15, 1063 (1997).

5) J. G. E. Gardeniers, Z. M. Rittersma, and G. J. Burger, J. Appl. Phys., 83, 7844 (1998).