Plasma Etching

이 시뮬레이터가 계산하는 것

슬라이더를 움직이면 네 단계가 순서대로 다시 계산됩니다. 압력·가스 조성에서 플라즈마 상태(이온 플럭스·이온 에너지·해리율)를 얻고, 거기에 재료별 반응성을 곱해 식각률을 냅니다. 그다음 source와 bias의 비로 DC self-bias를, 이온 에너지와 측벽 패시베이션의 균형으로 측벽 형상을 분류합니다. 마지막에 표면 거칠기와 마스크 소모가 따라옵니다.

값은 블랭킷(전면) 식각 기준입니다. 패턴이 있을 때 생기는 ARDE나 마이크로로딩 같은 형상 효과는 이 화면에 들어 있지 않습니다 — 그건 미니팹 쪽 패턴 식각이 다룹니다. 아래 숫자는 전부 이 페이지의 시뮬레이터가 실제로 내놓는 값입니다.

가스가 속도를 정하고, 섞는 이유는 형상이다

같은 조건(source 800W · bias 100W · 20 mTorr)에서 가스만 바꿔봅니다.

Cl₂만 쓰면 가장 빠르지만 마스크 밑이 파입니다. 측벽각 99.3°는 90°를 넘겼다는 뜻이고, 이건 옆으로도 깎여 들어갔다는 신호입니다. 여기에 HBr을 20 sccm 섞으면 속도는 10% 줄지만 측벽이 88°로 섭니다. 속도를 조금 내주고 형상을 사는 것 — 실제 레시피가 Cl₂/HBr 혼합인 이유입니다.

HBr만 쓰면 반대로 갑니다. 속도가 절반(63.8)으로 떨어지고, 선택비도 30에서 17.9로 내려가며, 측벽은 76.9°로 기울어집니다. 패시베이션이 과하면 바닥 식각이 함께 죽습니다.

SF₆는 숫자가 압도적입니다 — 1,657 nm/min, 15배. 그런데 실공정에서 이걸 그냥 쓰지 않습니다. 불소 화학은 Si를 화학적으로 매우 빠르게 깎지만 방향성이 없어 깊이 갈수록 옆으로 퍼집니다. 깊은 식각에서 SF₆ 식각과 C₄F₈ 보호막 증착을 번갈아 하는 Bosch 공정이 나온 이유가 이것입니다. 이 화면은 블랭킷 기준이라 그 등방성 문제를 형상 분류로 다 보여주지는 못합니다 — 숫자만 보고 고르면 안 되는 대표적인 자리입니다.

바이어스는 속도 노브가 아니다

bias를 0에서 300W까지 올려보면 두 곡선이 반대로 움직입니다.

• 속도: 101.5 → 116.1 nm/min (+14%)
• 선택비: 30 : 1 → 18.8 : 1 (−37%)
• 거칠기: 1.10 → 1.85 nm
• 형상: 0W에서만 언더컷, 50W부터 이미 수직

읽는 법은 이렇습니다. 방향성은 50W에서 이미 확보됩니다. 그 위로 올리는 전력은 속도를 조금 얻는 대신 마스크와 표면을 내주는 거래입니다. bias는 이온 에너지를 올리는 노브고, 이온은 깎으려는 재료와 마스크를 구분하지 않기 때문입니다. "속도가 안 나와서 bias를 올렸다"가 현장에서 가장 자주 나오는 실수인 이유이기도 합니다.

source는 반대 방향으로 움직인다

bias를 100W에 고정하고 source만 올리면 직관과 어긋나는 일이 생깁니다.

source를 올렸는데 이온 에너지가 내려갑니다. 밀도가 높아지면 같은 bias 전력을 더 많은 이온이 나눠 받기 때문입니다 — 이온 하나당 에너지가 낮아지고, 표면 손상이 줄어듭니다. 식각 속도는 오히려 조금 오르고요. 밀도와 에너지를 따로 잡을 수 있다는 것이 ICP가 용량결합(CCP)과 다른 점이고, 깊은 식각에 ICP를 쓰는 이유입니다. 다만 1,200W를 넘기면 속도가 더 오르지 않습니다 — 해리가 포화하는 구간입니다.

압력은 양쪽으로 손해를 만든다

낮추면 선택비가 12.8까지 떨어지고, 올리면 측벽이 무너집니다. 20 mTorr 근처가 권장값인 것은 두 손해가 가장 작은 지점이기 때문입니다. 압력은 "속도를 위해 올리는" 노브가 아니라 형상과 선택비를 지키는 범위 안에서 묶어두는 값에 가깝습니다.

재료가 바뀌면 화학이 통째로 바뀐다

산화막·질화막에는 선택비가 두 개입니다. 위의 PR 마스크를 얼마나 덜 깎느냐(마스크 선택비)와, 막을 다 뚫고 아래 실리콘에 닿았을 때 얼마나 덜 깎느냐(하부층 선택비)입니다. 산화막 식각에서 늘 문제가 되는 것은 뒤쪽입니다 — 콘택 홀을 열다가 아래 실리콘을 파먹으면 소자가 망가지기 때문입니다.

그 선택비를 만드는 것이 CHF₃의 폴리머입니다. CHF₃는 수소가 불소를 HF로 붙잡아 가고 CFx 폴리머를 남깁니다. 산화막은 자기 산소로 그 폴리머를 태워 내며 계속 깎이지만, 실리콘 위에는 태울 산소가 없어 폴리머가 쌓이고 식각이 거의 멈춥니다. CF₄만 쓰면 이 보호가 없어 실리콘이 산화막보다 빨리 깎입니다(이 화면에서 0.5 : 1 아래). O₂를 더 넣으면 폴리머가 타 버려 하부층 선택비가 떨어집니다 — CHF₃와 O₂의 비율이 곧 선택비 손잡이입니다.

(2026-10 정정: 예전 엔진은 CHF₃의 실리콘 보호를 최대 2배로만 넣어 산화막·질화막이 0.5 : 1로 계산됐고, 이 표는 그 값을 마스크 선택비로 잘못 읽어 "PR로는 버틸 수 없다"고 적었습니다. 추천 레시피 시간도 엔진 식각률에 맞춰 Si 300초 · SiO₂ 420초 · Si₃N₄ 300초로 고쳤습니다 — 예전 값으로는 셋 다 22~29 %에서 멈췄습니다.)

자주 틀리는 네 가지

1. 속도가 모자라서 bias를 올린다 — 속도는 14% 오르고 선택비는 37% 떨어집니다. 시간을 늘리는 쪽이 대개 낫습니다.
2. 압력으로 속도를 얻으려 한다 — 50 mTorr에서 측벽이 무너집니다. 얻는 건 2 nm/min입니다.
3. SF₆가 빠르니까 SF₆를 쓴다 — 깊어질수록 옆으로 퍼집니다. 방향성이 필요하면 Cl₂/HBr이거나 Bosch입니다.
4. 선택비를 재료 고유값으로 여긴다 — 같은 Si라도 bias 200W에서 23, 300W에서 18.8입니다. 선택비는 레시피의 결과지 재료의 성질이 아닙니다.

이어서 볼 것

패턴이 들어가면 같은 레시피라도 구멍 크기에 따라 깊이가 달라집니다 — 지름별 비아홀 ARDE 실습에서 0.5µm와 4µm가 1,040 nm와 1,550 nm로 갈리는 과정을 다뤘습니다. 주변 패턴 밀도가 만드는 차이는 마이크로로딩 실습에서 볼 수 있습니다.