물리학과 첨단기술 March 2008 38
차세대 산업 기술과 플라즈마
노 태 협
그림 1. 플라즈마 응용기술이 활용되는 산업 및 연구 분야.
저자약력
노태협 박사는 미국 University of Wisconsin 원자력 및 응용물리학과에서 박사 학위를 취득하고(2000) 귀국하여 2001년부터 현재까지 국가핵융합연
구소에서 기초 및 응용 플라즈마 연구에 전념하고 있다. 주요 세부연구분
야로서는 산업용 플라즈마 기술, 플라즈마 진단, 플라즈마의 파동현상 등이다. ([email protected])
참고문헌
[1] J. R. Roth, Industrial Plasma Engineering (IOP, Bristol, 2001),
Vol. 2.
[2] U. Kogelschatz, B. Eliasson and W. Egli, J. PHYS IV
FRANCE 7, C4-47 (1997).
라즈마는 1928년 미국의 화학자 Irving Langmuir 박사
가 처음으로 명명한 이후로 80년이 지난 오늘 핵융합 분야
부터 산업 생산 기술까지 우리 실에 많은 향을 미치고
있다. 라즈마를 이용한 산업 기술은 반도체, LCD(Liquid Crystal Display), PDP(Plasma Panel Display) 등 평
디스 이(Flat Panel Display) 등 첨단 IT 산업부터 의료, 섬유분야 등 실생활에 가까운 분야까지 다양하다.[1] 특히
반도체 IC Chip 제조공정에서 약 70% 이상의 공정에서
라즈마를 직간 으로 사용하고 있으며, LCD 디스 이
장치의 경우도 후 조명(Back Lighting)부터 TFT-LCD 넬
제조까지 라즈마는 제조공정에서 필수 으로 사용되고 있
다. PDP(Plasma Display Panel)는 그 이름에서 보듯이
라즈마를 이용하여 RGB(Red/Green/Blue) 색상을 구 하
고 있다. 그 밖에도 환경 신재생 에 지 분야에서도
라즈마의 이용이 차 확산되고 있다. 이와 같이 다양한 분
야에서 라즈마를 사용하는 이유는 무엇인가? 라즈마는
자와 이온 그리고 성입자(분자와 원자)가 혼합된 상태
로 존재한다. 자는 다양한 방식에 의해 쉽게 가속될 수
있으며 성입자는 특히 분자와 충돌하여 화학 활성종
(Radical)을 생성하고, 이온은 처리하고자 하는 피 처리물의
표면을 화학 반응이 일어날 수 있는 조건을 조성함으로 활
성종이 표면에서 활발한 화학 작용을 일으키게 한다. 한
라즈마는 고진공으로부터 기압 이상의 높은 압력에서도
발생이 가능하고 기체 뿐만 아니라 액체 상태에서도 방 이
가능하므로 다양한 생산 조건에 맞는 라즈마 발생 방식을
선택 으로 사용할 수 있는 장 때문에 여러 분야에서 사
용되고 있다.그러나 산업기술의 발달은 좀 더 다양한 라즈마 기술을
요구하고 있으며 이제 라즈마 발생 기술은 극한 기술로 발
하고 있다. 이 에서는 반도체 디스 이 분야를 심
으로 차세 산업 기술에서 요구되는 라즈마 기술 에서
국가 핵융합 연구소에서 진행하고 있는 표 인 라즈마
기술을 소개하고자 한다.기압 라즈마 기술은 라즈마의 역사 만큼 오랜 기간
동안 연구되어온 분야이다. 특히 기압 라즈마 발생 기술
연체 방 (DBD: Dielectric Barrier Discharge)[2]은 오
존(Ozone) 발생장치로 개발되어 오래 부터 유럽에서는 상수
처리 시설에 용되어왔고 최근 반도체 공정에서도 사용되고
있다. 기압 라즈마는 발생 특성상 진공 라즈마의 사용
이 불가능한 분야 특히 환경 분야에서 많은 기술 수요가 존
재한다. 기압 라즈마는 유지 처리 비용이 기존의 기
술에 비해 많이 소요되는 것은 사실이나 기존 기술이 발생시
키는 환경오염 부산물 등을 만들지 않기 때문에 환경에
한 우려에 비례하여 차 수요가 늘어가고 있다. 최근 들어
기압 라즈마는 환경 분야 뿐만 아니라 반도체 디스
이 산업에서의 활용도가 격히 진행되고 있다. 특히
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그림 2. NFRI에서 개발한 대기압 플라즈마 감광막 제거장치. 그림 3. 대기압 플라즈마를 이용한 a-Si 식각 모습.
참고문헌
[3] D.M. Manos, Plasma Etching (Academic Press, NY, 1989).
TFT-LCD 공정에서는 TV의 크기가 차 증가함에 따라 제
조공정에서 사용되는 진공 라즈마 장비 가격의 증가로 인
하여 생산 라인의 투자비용도 기하 수 으로 함께 증가한
다. 이와 같은 문제 의 해결방안으로 기압 라즈마를 이
용하는 방안이 국내외 으로 활발히 연구되고 있다. 기압
라즈마의 장 은 고가의 진공 장비를 사용하지 않기 때문
에 진공 라즈마 장비 비 약 1/3 수 으로 투자비용이
감되며, TFT-LCD 생산라인의 세 별 유리 기 크기의
증가에 따른 장비의 확장성에 기술 으로 쉽게 응할 수 있
다는 것이다. 국가 핵융합 연구소에서 개발된 기압 라즈
마 기술은 TFT-LCD 공정 세정 공정에서 사용되고 있으
며 일부 공정 기술은 재 개발 에 있다. 그 밖에도 반도
체 세정 감 막 제거(PR Stripping) 공정 기술로도 개발
에 있다.기압 라즈마 기술의 특징은 진공 라즈마와는 여러
면에서 달리 나타난다. 기압 라즈마는 진공 라즈마보다
천 배~ 만 배 이상의 압력에서 발생되므로 하 입자와 성
입자 간의 단 시간당의 충돌 횟수(=충돌 주 수)가 매우 높
고 충돌 간의 평균자유행정(Mean Free Path)은 매우 짧다. 이와 같은 환경에서 라즈마를 발생하기 해서는 높은
기장을 필요로 한다. 높은 기장에서 가속된 자는 분자와
충돌하여 높은 도의 활성종(Radical)을 생성한다. 그러므로
진공 라즈마에 비해 상 으로 많은 수의 활성종을 생성
할 수 있다. 그러나 평균자유행정이 라즈마 외장(Sheath)의
두께보다 짧기 때문에 외장에 의한 이온의 가속 효과를 기
할 수 없다. 한 식각(Etch) 공정에서는 외장에 의한 이온의
방향성에 기인한 비등방식각(Anisotropy Etch)도 기 할 수
없다는 것이 일반론이었다.[3] 그러나 연구결과 가스 혼합에
따른 식각 공정을 조 한 결과 기압 라즈마 식각 공정에
서도 비등방성 식각 결과를 얻을 수 있음이 최근에 밝 졌다. 이는 TFT-LCD 식각 공정에서 필요한 Taper 식각이 기압
환경에서도 가능함을 나타내고 있다.기압 라즈마는 진공 라즈마에 비해 많은 연구가 진
행되어 있지 않고 그 응용 기술도 최근 들어 재조명되는 등
라즈마에서 미지의 분야로 남아있으며 차세 산업 기술에
응할 수 있는 기술 분야이다.
하이퍼 서멀 중성입자 빔(HNB: Hyper-thermal
Neutral Beam) 발생 기술
반도체 공정에서 IC Chip의 집 도는 매년 두 배 가까이
증가하면서 반도체 공정은 2010년 22나노 미세공정을 목표
로 공정 기술이 개발되고 있다. 미세 선폭 공정에서 라즈마
를 사용하는 경우 라즈마를 구성하는 하 입자가 반도체 웨이
퍼(Wafer) 표면에 집 되면서 Notching, Bowing, Trenching 등 하 입자손상(Charge Damage) 문제를 야기한다. 공정에
필수 인 라즈마의 사용은 새로운 문제를 야기할 수 있고
선폭이 어들수록 문제의 심각성은 확 된다. 미세 선폭에
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그림 4. HNB를 이용해 상온에서 성장시킨 ITO 박막.
그림 5. 국가 핵융합 연구소에서 개발된 HNB 장치에서 발생된 중성입
자 빔의 에너지 분포.
참고문헌
[4] Jung Mi, Ph.D Thesis, Postech (2008).
[5] J. R. Roth, Industrial Plasma Engineering (IOP, Bristol, 2001),
Vol. 1, Chap 6.
맞는 새로운 반도체 공정의 개발이 필연 이다. 이와 같은
문제의 해결은 하 입자와 웨이퍼의 직 인 을 물리
으로 방지하면서 공정을 진행할 필요가 있다. 즉 하를 갖
지 않은 성입자 특히, 활성종을 가속하여 에 지가 1~100 eV 정도 갖도록 하여 공정을 수행할 수 있다는 새로운 개념
이 최근 들어 제안되고 있다. 상온보다 높은 에 지 상태의
성입자 빔을 HNB(Hyper-thermal Neutral Beam)이라 통
칭하며 라즈마의 이온을 필요 에 지까지 가속하고 하교
환(Charge Exchange)을 통해 성입자로 변환시켜서 얻을
수 있다.HNB 기술의 특징은 공정에서 라즈마와 웨이퍼 등 피 처
리물의 직 인 이 없기 때문에 하 입자에 의한 문제
를 야기하지 않는다. 한 성입자가 에 지를 표면에 달
하는 동시에 표면에서 공정이 일어나기 때문에 효율 공정
이 진행된다. 특히 박막공정에서 HNB 기술을 사용하는 경우
상온에서 공정이 가능하고 라즈마를 사용하는 고온 공정에
비해 상 으로 막질이 우수하다는 연구결과를 얻을 수 있
었다. HNB를 이용한 상온 공정은 반도체 뿐만 아니라 차세
디스 이 기술인 Flexible 디스 이 분야 등 고온 공
정이 불가능한 산업 분야에서는 필수 으로 요구되는 기술이
라 할 수 있다.HNB 기술의 핵심은 공정에 필요한 성입자 빔의 높은
Flux와 조 가능한 빔 에 지 그리고 성입자 빔의 에 지
를 측정하는 기술이라 할 수 있다. 성입자 빔의 에 지는
이온이 성입자로 환되는 속 하교환기(Neutralizer)의
종류, 기하하 구조, 속의 표면 거칠기 등 다양한 변수가
존재한다.[4] 성입자 빔의 Flux는 라즈마의 도 이온
의 성화 방식 등에 의해 결정되며 특히 고 도 라즈마의
발생 기술이 기본 으로 요구된다.특히 1014 /cm2-s 이상 높은 성입자 빔 Flux를 해서는
성화 방식은 신 히 선택되어야 한다. 라즈마로부터 이온의
추출은 공간 하제한 류(Space Charge Limited Current)
에 의해 결정되므로[5] 최 이온 류 추출을 해서는 라즈
마 외장(Sheath)을 이용하여 속 하교환기를 통해 성입
자 빔을 만드는 방식이 주로 사용된다.HNB 기술은 장 은 Flexible 디스 이, OLED, 미세
반도체 공정 기술 등에서 요구되는 조건을 충족한다. 그러나
속 불순물의 조 , 빔의 직진성, 빔 Flux의 증가 등의 문제
은 해결해야할 과제로 남아있다.
다중 전하 이온(Multiply-Charged Ion)
발생 기술
원자 번호는 핵에 존재하는 양성자의 수로 결정되고 동일
한 수의 자를 나타낸다. 수소를 제외한 원자들은 2개 이상
의 자를 갖고 있으며 원자로부터 분리된 자의 에 지가
충분한 경우 자 충돌(Electron Impact)에 의한 이온화가
가능하다. 즉, 원자로부터 2개 이상의 자를 분리할 수 있
다. 일반 으로 비열 라즈마(Non-thermal Plasma)의 경우
이온의 하량은 자의 하량과 동일한 이온화 상태가 1 인 경우(Z=1)가 부분이다. 그러나 이온의 이온화 상태가 2이상인 다 하 이온의 경우 Z=1인 상태의 이온과는 다
른 특성을 갖고 있다. 다 하 이온에서 빛이 방출되는 경우 단일 하 이온에
서 방출되는 빛보다 짧은 장의 빛을 방출할 수 있다. 방출
빛의 역은 극자외선(EUV)부터 X선 역까지 가능하다. 이
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그림 6. 미국 Sandia Lab.에서 개발된 EUV 광원 시험장치.
(www.sandia.gov).
참고문헌
[6] H. Tanuma, EUV Source Modeling Workshop, Miyajaky (2004).
[7] R. Geller, Electron Cyclotron Resonance Ion Sources and
ECR Plasma (IPP, Bristol, 1996).
와 같은 장의 빛은 차세 반도체 공정에서 리소그래피
(Lithography)에서 요구하는 13.5 nm의 EUV도 가능하다. 이와 같은 13.5 nm의 EUV를 해서는 Xe의 경우 이온화
상태가 10 이상의 다 하 이온이 필요하고[6] Sn의 경우 이
온화 상태 7 이상의 다 하 이온이 필요하다. 다 하 이
온의 발생은 일반 인 라즈마 발생 방식으로는 자가열이
충분하지 않기 때문에 특별한 자가열방식을 요구하고 있다. 일반 으로 많이 사용되는 방식은 자자기공명 상을 이용
한 ECRIS(Electron Cyclotron Resonance Ion Source)[7] 장치로 일반 ECR 장치와는 달리 Mirror형 자기장 구조를 특
징으로 한다.다 하 이온발생장치는 X선 역의 빛 방출이 가능한데
일반 으로 사용되는 X선 발생기의 경우 연속 스펙트럼을 갖
지만 다 하 이온의 경우 X선 장을 선택 으로 할 수 있
는 특징이 있다. 다 하 이온의 경우 공명 이(Resonant Transition)에 의한 X선 방출이 일어나며 좁은 Bandwidth를
갖는다. 이와 같은 특징의 X선은 의료분야에서 선택 암 치
료를 가능 한다.다 하 이온은 반도체 공정에서는 차세 이온 주입기
(Ion Implanter)로 사용될 수 있다. 반도체의 선폭이 좁아짐
에 따라 이온 주입 공정 시 이온의 류는 증가하는 반면 주
입 에 지는 낮추는 기술을 필요로 한다. 그러나 이온의 에
지를 낮추면 주입되는 이온의 수는 감소한다. 이와 같은 한계
를 극복하기 해서는 다 하 이온을 사용하여 낮은 에
지 역에서도 이온 류의 양을 증가시킬 수 있다.그 밖에 다 하 이온은 방사성 동 원소 발생에서도 사
용되는 등 다 하의 이온의 활용 분야는 차로 확 되고
있다. 그러나 차세 산업에서 사용되기 해서는 다 하의
이온화 상태가 선택 으로 발생 가능하여야 하고 발생된 다
하 이온의 도 역시 필요 수 으로 증가하여야 한다. 한 이온의 종류에 따른 공정 기술의 개발도 함께 이루어져야
한다.
그 밖의 플라즈마 응용 기술
최근 환경 기술의 수요에 따라 라즈마 기술이 새롭게 조
명되고 있다. 기압 라즈마 기술에서도 언 했듯이 공해
물질 감소를 해 라즈마를 사용할 수도 있으나 라즈마
를 이용해서 환경 친화 인 에 지를 생산할 수도 있다. 라
즈마를 이용한 수소에 지 생산 기술이다. 물을 분해하는 경
우 물로부터 수소와 산소가 발생하며 재 연소 시 다시 물로
환원된다. 이 순환 과정에서 물 분해 시 라즈마를 사용하여
효과 으로 수소와 산소를 얻을 수 있다. 라즈마를 사용하
는 경우 수소 분해는 기존의 방식보다 높은 효율을 갖는 것
으로 나타난다.
맺음말
산업에서 이용되는 라즈마 기술은 차 확산되고 있다. 기존 산업 분야에서 사용되는 라즈마 기술은 산업의 기술
수요에 맞춰 함께 발달하고 있으며 필요에 따라 기존 기술의
한계를 극복하는 기술을 요구하고 있다. 한 새로운 산업 기
술의 발달은 새로운 라즈마 기술 수요를 만들고 있다. 이와
같이 차세 산업 기술에서도 라즈마 기술 수요는 새롭게
창출될 것이며 기술의 응용 분야는 차 확산될 것이다.
