안녕하세요. 저는 SCD의 공정 개발 그룹에서 연구 개발 엔지니어로 근무하는 가이 버스타인입니다. SCD는 적외선 검출기 생산을 전문으로 하며, 생산 공정에서 중요한 단계 중 하나가 반응성 이온 에칭(RIE)입니다.
RIE 공정에는 ICP, RF 전력, 온도, 에칭 시간 등 소자의 성능에 영향을 미칠 수 있는 다양한 변수가 있습니다. 적외선 검출기의 중요한 특성 중 하나는 암전류입니다.
본 연구에서는 RIE 공정 매개변수를 최적화하여 암전류를 줄이고 성능을 향상시키는 데 중점을 두었습니다. 저희의 RIE 공정은 두 단계로 구성됩니다. 저희는 축적된 지식과 경험을 바탕으로 실험계획법(DOE)을 1단계 및 2단계 식각 시간이라는 두 가지 요소로 축소했습니다. 실험은 웨이퍼 9개로 제한되었으며, 비선형 응답에 대한 테스트도 수행해야 했습니다.
저희는 먼저 JMP의 맞춤형 DOE 설계 플랫폼에서 설계 공간을 만든 다음, 필요에 맞게 수동으로 변경했습니다.
두 개의 연속 변수와 세 개의 수준을 고려할 때, 각 변수의 높은 수준과 낮은 수준, 그리고 이들의 조합에 대한 실험이 모서리에서 이루어짐을 알 수 있습니다. 네 개의 중간점과 하나의 중심점이 존재합니다.
하지만 1단계가 너무 짧고 2단계가 너무 길면 암전류가 증가할 확률이 높다는 것을 알고 있습니다. 그래서 우리는 이 좌측 상단 모서리 실험을 다른 중심점으로 사용하기로 결정했습니다.
응답을 확인하기 위해 웨이퍼를 사용하여 테스트 소자를 제작했습니다. 그런 다음 각 소자의 암전류를 측정하여 IV 곡선을 생성했습니다. 여기서 우리가 관심을 갖는 것은 안정 영역, 즉 플래토(plateau)라고 불리는 영역에서의 암전류 값입니다. 이 영역에서는 암전류가 크게 변하지 않습니다. 우리의 목표는 이 플래토 영역에서 암전류 값을 최소화하고 플래토 길이를 최대한 길게 유지하는 것입니다.
DOE를 완료한 후, 우리는 DOE에서 얻은 최상의 조건을 적용하여 실제 적외선 검출기를 제작할 수 있는 웨이퍼 3개를 확보하는 검증 단계를 계획했습니다.
실험을 시작했고, 초기 결과를 얻은 결과, 2단계 반응 시간을 15분으로 설정한 실험에서 암전류가 10분으로 설정한 실험보다 훨씬 더 높게 나타났습니다.
이 시점에서 우리는 원래 계획했던 20분 실험 대신 에칭 시간을 더 짧게 하는 방향으로 실험을 진행하기로 결정했습니다. 새로운 정보를 바탕으로 설계 공간이 어떻게 변화했는지 여기서 확인할 수 있습니다. 우리는 계속해서 실험을 진행하고 더 많은 결과를 얻었으며, 이 시점에서 각 요소가 반응에 어떤 영향을 미치는지 파악할 수 있었습니다.
첫 번째 단계에서는 평탄 구간이 가장 긴 최적 시간이 존재함을 알 수 있습니다. 하지만 두 번째 단계에서는 식각 시간을 줄일수록 암전류가 지속적으로 감소하는 것을 확인할 수 있습니다.
하지만 이 단계를 완전히 없앨 수는 없었기에, 에칭 단계가 암전류에 미치는 영향에 대해 더 깊이 고민해야 했습니다. 그 결과, 에칭 공정의 방식을 변경해야 한다는 결론에 도달했습니다.
RIE(반응성 이온 에칭)에는 두 가지 구성 요소가 동시에 존재합니다. 매개변수를 변경하고 조정하면 에칭 과정을 두 가지 중 하나로 진행할 수 있습니다. 첫 번째는 화학적 에칭으로, 플라즈마에서 생성된 라디칼이 기판에 도달하여 표면에서 반응하고 생성물이 증발하여 챔버 밖으로 배출됩니다. 두 번째는 물리적 에칭으로, 이온이 기판으로 가속되어 충돌하면서 에칭을 진행시키는 과정입니다.
그래서 저희는 화학적 에칭보다는 물리적 에칭에 더 집중하기로 했습니다. 당시 DOE에서 남은 웨이퍼가 하나 더 있었는데, 그 웨이퍼를 이용해 해당 조건에서 테스트 장치를 제작했습니다. 실제로 이 테스트 장치에서 DOE 전체에서 가장 좋은 결과를 얻었습니다.
검증 단계로 넘어갑니다. 첫 번째 단계에서는 이전에 찾은 최적 시간을 그대로 사용했습니다. 하지만 두 번째 단계에서는 웨이퍼 세 개를 사용했는데, 하나는 10분, 다른 하나는 5분, 그리고 세 번째 웨이퍼는 새로운 조건, 즉 물리적 식각을 더 많이 적용했습니다. 두 번째 단계에서 식각 시간을 줄이면 암전류가 감소하는 것을 확인할 수 있습니다. 하지만 새로운 조건, 즉 물리적 식각을 더 많이 적용하면 암전류가 훨씬 더 많이 감소하는 것을 볼 수 있습니다.
결론적으로, 본 연구를 통해 엔지니어링 경험과 지식이 실험계획법(DOE)에서 적절한 요인과 그 수준을 선택하는 데 매우 중요하다는 것을 알 수 있었습니다. 또한, 새로운 정보가 들어올 때 계획을 기꺼이 수정할 수 있는 열린 마음가짐이 필요하다는 것도 확인했습니다. DOE는 공정 최적화뿐만 아니라 지식을 증진하고 공정에 대한 이해도를 높이는 데에도 강력한 도구라는 것을 알게 되었습니다. 마지막으로, 모든 DOE 또는 실험의 목표는 단순히 데이터를 그래프에 맞추는 것이 아니라, 공정에 대한 더 깊은 이해를 얻는 데 있어야 합니다.
이 실험을 수행하는 데 도움을 주신 동료분들께 감사드리고, 이 연구 결과를 발표할 수 있도록 허락해 주신 SCD에도 감사드립니다. 궁금한 점이 있으시면 학회에서 뵙기를 기대합니다. 감사합니다.
