이온·라디칼 시너지 — 따로는 5와 2인데 같이 쪼이면 왜 55가 될까
이온·라디칼 시너지는 플라즈마 식각에서 라디칼(중성 반응종)과 이온을 동시에 쪼일 때 식각률이 각각 쪼인 값의 합보다 훨씬 커지는 현상이다. 1979년 Coburn과 Winters는 실리콘에 XeF₂ 기체만 쪼이면 약 5 Å/min, Ar⁺ 이온 빔만이면 약 2 Å/min인데 둘을 함께 쪼이면 약 55 Å/min이 되는 것을 보였다. 라디칼이 표면을 반쯤 반응시켜 결합을 약하게 만들고, 이온이 그 약해진 자리를 떼어 내기 때문이다. 이온은 수직으로만 오므로 이 시너지는 바닥에서만 일어나고 — 그것이 플라즈마 식각이 수직으로 파 내려가는 이유다.
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실험 하나가 보여준 것
실리콘 시료 하나에 순서대로 쪼인다.
- XeF₂ 기체만 — 불소가 실리콘과 저절로 반응해 SiF₄로 날아간다. 하지만 느리다. 약 5 Å/min.
- XeF₂ + Ar⁺ 이온 빔 — 같은 기체에 아르곤 이온(450 eV)을 더하자 약 55 Å/min.
- Ar⁺ 이온 빔만 — 기체를 끊으면 순수한 물리적 스퍼터링만 남는다. 약 2 Å/min.
따로 쪼였을 때의 합은 7인데 같이 쪼이면 55다. 두 효과가 더해지는 게 아니라 곱해지듯 커진다. 이것을 이온·라디칼 시너지(이온 보조 식각, ion-enhanced etching)라 부른다.
왜 곱해지나 — 표면 한 자리에서 일어나는 일
표면의 실리콘 원자 하나를 보자. 제거되는 길이 셋 있다.
- 자발 반응 — 라디칼이 붙어 결합을 다 채우면(SiF₄) 스스로 떨어진다. 마지막 결합을 끊는 데 열에너지만 쓰므로 드물다. → 라디칼만일 때의 느린 식각
- 스퍼터링 — 이온이 원자를 그냥 쳐서 날린다. 결합이 온전하면 잘 안 떨어진다. → 이온만일 때의 느린 식각
- 이온 보조 제거 — 라디칼이 이미 반쯤 반응시켜 약해진 자리를 이온이 치면 쉽게 떨어진다. → 시너지
세 번째 길은 라디칼이 자리를 덮어 놓았고(θ > 0) 이온이 와야(Γ_i > 0) 열린다. 둘 중 하나라도 없으면 그 길 자체가 없다. 그래서 따로 잰 두 값을 더해서는 절대 같이 쪼인 값이 안 나온다.
정상 상태에서 덮인 자리의 비율 θ는 "덮는 속도 = 떼어 내는 속도"로 정해진다.
θ = G / (G + k + Y_c·Γ_i) 식각률 = (k + Y_c·Γ_i)·θ + Y_p·Γ_i
G는 라디칼 공급, k는 자발 탈리, Y_c·Γ_i는 이온 보조 제거, Y_p·Γ_i는 스퍼터링이다. 위 시뮬레이터는 이 식의 상수를 기준 조건에서 Coburn–Winters 세 값(5 · 2 · 55)이 나오도록 맞췄다.
손잡이를 돌려 보면 보이는 것
- 이온을 늘리면 식각률은 오르지만 θ가 내려간다 — 이온이 덮인 자리를 써 버리는 속도가 빨라진다. 라디칼이 모자라면 이온을 더 넣어도 소용이 없다(라디칼 제한).
- 라디칼을 늘리면 θ가 다시 차오르고 이온 한 개가 떼어 내는 양이 늘어난다(이온 제한에서 벗어남).
- 이온 에너지를 내리면 50 eV 아래에서 스퍼터링이 사라지고, 20 eV 아래에서는 이온 보조 제거도 멈춘다. 이 사이 구간이 "기판은 깎되 손상은 적게"를 노리는 저에너지 식각의 영역이다.
현장 레시피에서 "식각률이 안 오른다"를 진단할 때 먼저 묻는 것이 이것이다 — 지금 라디칼이 모자란가, 이온이 모자란가. 소스 파워(라디칼·이온 생성)와 바이어스(이온 에너지)를 따로 만지는 이유다.
시너지가 곧 이방성이다
트렌치를 생각하자. 바닥에는 라디칼과 이온이 함께 떨어진다. 측벽에는 라디칼만 닿는다 — 라디칼은 방향 없이 날아다니지만 이온은 시스 전압에 가속돼 수직으로만 들어오기 때문이다.
그러면 바닥은 시너지 속도(55)로, 측벽은 라디칼만의 속도(5)로 깎인다. 바닥 ÷ 측벽 ≈ 11. 수직 식각은 별도의 장치가 아니라 시너지의 부산물이다. 시뮬레이터 그림 (b)의 트렌치가 그 비율로 그려진다.
여기에 측벽에 보호막(폴리머·산화막)을 쌓는 레시피를 더하면 측벽의 라디칼 식각마저 막혀 이방성이 더 올라간다 — 플루오로카본(CHF₃ 등) 식각과 보쉬 공정이 쓰는 방법이다.
이 시뮬레이터의 범위
- 기준 조건(라디칼 ×1 · 이온 ×1 · 450 eV)은 Coburn–Winters 실측의 재현이다. 값은 원 논문 그래프에서 읽은 근사치다.
- 그 밖은 모델의 외삽이다. 플럭스는 선형으로, 이온 수율은 √E − √E_th로 키운다. 문턱(스퍼터 50 eV, 이온 보조 20 eV)은 교과서 근삿값이고 특정 재료·가스에 맞춘 값이 아니다.
- 트렌치 그림은 측벽이 바닥과 같은 라디칼 플럭스를 받는다고 본다. 실제 수직 벽은 등방 플럭스의 일부만 받으므로 측벽은 이보다 더 느리다 — 바닥/측벽 비는 이 모델의 하한 쪽 값이다.
- 덮임은 한 층, 생성물은 하나로 본다. 재증착, 표면 온도, 측벽 보호막, 종횡비에 따른 플럭스 감소(ARDE)는 넣지 않았다.
정식 버전(기관 서고)에서는 여기서 더 나아갑니다
이 화면과 같은 계산 위에, 공정으로 잇고 직접 재고 맞춰 보는 실습이 서고 책 안에 붙습니다.
분포까지 넣어 식각 결과로
대학서고에 있음450 eV 한 점이 아니라 실제 플라즈마의 이온 에너지 분포로 시너지를 세 바닥·측벽 식각률과 이방성까지 — 같은 표면 모델을 장비 손잡이에 잇는다.
서고 책 「식각 공정」
목표 맞추기 (채점)
기초~대학준비 중"이방성 10 이상 + 식각률 확보 + 스퍼터 이온 제한" 같은 목표를 라디칼·이온 양과 에너지로 맞추고 점수를 받는다.
QCM 으로 직접 재기
대학서고에 있음Coburn–Winters 처럼 수정 진동자 저울에 밸브와 빔을 켰다 껐다 하며 진동수 기울기로 5·2·55 를 직접 얻는다 — 얼마나 오래 재야 믿을 만한지까지.
서고 책 「식각 공정」
ALE — 원자층 식각
현업서고에 있음시너지를 시간으로 나눈 현업 공정 — 개질·제거를 되풀이해 한 주기에 한 층. 자기 제한, 에너지 창, 불소 대신 염소를 쓰는 이유.
서고 책 「식각 공정」
자주 묻는 질문
- 이온·라디칼 시너지는 왜 생기나요?
- 라디칼이 표면 원자와 반쯤 반응해 결합을 약하게 만들어 두면, 이온이 그 약해진 자리를 훨씬 쉽게 떼어 내기 때문입니다. 이 이온 보조 제거는 라디칼이 덮어 둔 자리와 이온이 동시에 있어야만 일어나므로, 따로 쪼인 두 식각률의 합보다 같이 쪼인 값이 훨씬 커집니다.
- Coburn–Winters 실험에서 시너지는 몇 배였나요?
- 실리콘에 XeF₂만 약 5 Å/min, Ar⁺ 450 eV 이온 빔만 약 2 Å/min, 둘을 함께 쪼였을 때 약 55 Å/min이었습니다. 따로의 합 7에 비해 약 8배입니다(J. Appl. Phys. 50, 3189, 1979 — 그래프에서 읽은 근사치).
- 시너지와 이방성 식각은 무슨 관계인가요?
- 이온은 시스 전압에 가속돼 수직으로만 들어오고 라디칼은 방향 없이 들어옵니다. 그래서 트렌치 바닥은 시너지 속도로, 측벽은 라디칼만의 느린 속도로 깎입니다. 시너지 배수가 곧 바닥과 측벽 식각률의 비, 즉 이방성의 원천입니다.
- 이온 에너지를 계속 올리면 식각이 계속 빨라지나요?
- 빨라지기는 하지만 에너지의 제곱근 정도로만 늘고, 라디칼 공급이 따라오지 못하면 덮인 자리가 부족해 포화됩니다. 대신 스퍼터링이 커져 마스크와 하부막이 같이 깎이고 손상이 늘어 선택비가 나빠집니다.
라디칼·이온 입자가 표면 원자를 하나씩 떼어 내는 장면을 직접 돌려 볼 수 있습니다.