Energetic ion bombardments on inorganic thin films and resultant sputtering processes were investigated with molecular dynamics simulations. By tracing the trajectories of incident ions, we could find the amount of the incident ions either be implanted or reflected. For the reflected ions, the reflection angles and energies after the collision with a substrate could be calculated and their distributions were obtained for various incident angles and incident energies. And surface atom removal rate due to energetic ion bombardments was also determined in terms of the sputtering yield from the results of our atomic scale simulations.
Dynamics among substrate atoms was described by suitable empirical potential energy functions, Vashishta's potential for $Si_3N_4$ and Feuston-Garofalini potential for $SiO_2$, and the interactions of an impacting Ar+ ion with the substrate atoms were modeled with a fully repulsive Moli$\grave{e}$re potential. For sputtering of each substrate, an amorphous surface configuration was prepared by simulating the surface evolution due to successive ion impacts and structure relaxation at high temperature. We considered Ar+ ion bombardment on the amorphous surfaces, for various incident angles ($\theta_i$ = 0˚, 30˚, 45˚, 60˚, 75˚, and 85˚) and incident energies ($E_i$ = 100 eV and 200 eV). Sputtering yields had its maximum around the incident angle of 60˚ ~ 75˚ and the preferential sputtering of light atoms (N or O) in these multicomponent materials were observed. Comparing the sputtering yields of these two materials, we could find that silicon nitride substrate is more likely to be sputtered than oxide in physical sputtering process. It indicates that the chemical effect of plasma and surface interactions are essential to realize the selective etching of oxide layer over nitride layer in self-align contact process.
Reflection characteristics and degree of energy deposition of several impacting ion species ($He^+$, $Ne^+$, $Ar^+$, $Kr^+$, and $Xe^+$) were compared and the relevance of our MD simulation results to the simple estimation based on the binary collision model was addressed. It was found that for incident kinetic energy of 100 eV, all of the ions transferred at least 60 % of their energy, with $Xe^+$ transferring the most and $He^+$ the least. Impact of argon ions was observed to be most efficient for the physical sputtering of silicon dioxide substrate at the incident energy of 100 eV, which shows the importance of size or mass effect of bombarding ions in sputtering process.
Comparison of our simulation results ($Ar^+$ bombardment on $SiO_2$) with available experimental data showed that our theoretical study is reliable, in spite of the computational limits and difficulties or possible inaccuracy in experimental measurements.
Sputtering of an aluminum oxide substrate was also investigated in this work. An empirical potential energy function developed by Streitz and Mintmire, which includes the variable charge model, was used in sputtering simulations. Impact ions with different atomic charge ($Al^+$, $O^-$) were allowed to bombard on an aluminum oxide substrate and the number of ejected atoms due to the ion bombardments was obtained for various incident energies. There was a large difference in the preferential sputtering of oxygen over aluminum atom between the positive ion ($Al^+$) and the negative ion ($O^-$) impact cases, which demonstrated that the charge character of an incident ion is important in sputtering of an ionic material.
플라즈마 식각공정에서 일어나는 이온충돌과 그에 따른 기판 식각현상을 분자모델링 기법을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션으로 연구하였다. 기판표면에 충돌하는 이온의 거동을 시간에 따라 추적함으로써, 입사각과 입사에너지에 따른 이온의 반사특성을 관찰하고 기판부착계수(sticking coefficient)를 얻을 수 있었다. 또한, 이온의 충돌에 의한 기판표면의 형상변화를 관찰하고 특정기판의 식각도(sputtering yield)를 계산하였다.
반도체소자제조에 널리 사용되는 물질인 실리콘 질화막($Si_3N_4$)과 산화막($SiO_2$)을 대상으로 하여 아르곤 하전입자를 충돌시킴으로써 나타나는 기판 식각특성을 관찰하고 비교·분석하였다. 이 두 가지 무기질막의 상대적 식각정도를 파악하는 것은, 고집적 전자소자의 제조에서SAC(Self-Aligned Contact)구조를 구현하기 위해 요구되는 선택비(selectivity) 문제에 대한 고찰을 위한 것이다. 기판원자들의 상호작용을 모사하기 위해 Vashishta그룹에서 제안된 포텐셜을 실리콘 질화막에 대해 적용하였고, 실리콘 산화막에 대해선 Fueston-Garofalini 포텐셜을 사용하였으며, 이온과 기판 원자들간의 상호작용은 Moli$\grave{e}$re포텐셜을 이용하여 모사하였다. 분자모델링을 통해 비정질의 기판표면을 만들고, 그 위로 여러 입사각($\theta_i$ = 0˚, 30˚, 45˚, 60˚, 75˚, 85˚)과 입사에너지($E_i$ = 100 eV, 200 eV)을 지닌 이온을 충돌시켜 기판에서 튀어나온 원자를 파악하여 기판의 식각도를 계산하였다. 입사각이 60˚ ~ 75˚의 범위일 때 가장 높은 식각도가 관찰되었으며, 다성분계 물질의 식각에서 보이는 가벼운 원자의 선택적 식각현상을 정량적으로 파악할 수 있었다. 실리콘 질화막과 산화막에 대한 식각특성을 비교한 결과, 질화막이 산화막보다 보다 더 쉽게 입자의 물리적 충돌로 인해 식각된다는 사실을 알 수 있었다.
기판충돌과정과 식각현상에서 충돌입자의 질량 및 크기에 따른 영향을 파악하기 위해 여러 가지 이온들($He^+$, $Ne^+$, $Ar^+$, $Kr^+$, $Xe^+$)을 대상으로 식각 시뮬레이션을 수행하였다. 이를 통해 실험적으로 관찰하기 어려운 충돌이온의 반사특성의 변화와 기판으로의 에너지 전달량의 차이를 정량적으로 파악할 수 있었다. 그리고, 이원자 충돌모델(Binary Collision Model)을 이용하여 기판원자와 이온의 충돌현상을 정성적으로 분석하고 분자모델링의 결과와 비교·검토하였다. 한편, 실리콘 산화막의 식각에 대한 시뮬레이션 결과와 기존의 실험 결과값을 비교함으로써, 시뮬레이션 기법상의 한계에도 불구하고 신빙성 있는 결과가 도출되었음을 확인할 수 있었다.
이온결합이 있는 기판원자들의 전하특성의 변화를 감안한 Streitz-Mintmire 포텐셜을 이용하여 알루미늄 산화막($Al_2O_3$)에 대한 식각모델링을 수행하였다. 다른 전하를 지닌 이온들($Al^+$, $O^-$)을 충돌시킨 후 나타나는 기판 식각특성의 차이를 관찰하여, 플라즈마 식각에서 충돌입자의 전하특성이 미치는 영향을 파악하였다.
본 연구의 대상인, 고체 표면에 이온이 충돌하는 현상은 기판에 패턴을 형상화하는 플라즈마 식각공정 이외에도 미세전자소자를 생산하는데 있어서 많은 부분에 활용되고 있는데, 반도체 물질의 전기적 특성을 조절하기 위한 이온 주입공정, 금속이나 무기질막을 성장시키는 기상증착공정, 그리고, 모든 단위공정의 전후단계에서 거치게 되는 세정공정이 그 대표적인 예라 할 수 있다. 한편, SIMS, AES, ESCA, 그리고 XPS과 같은 표면분석장비들도 이온의 충돌로 인하여 대상물질에서 튀어나오는 원자들을 분석함으로써 물질표면의 특성을 파악하는 것이다. 그러므로, 이온의 충돌 메카니즘을 이해하고 물리화학적 변화를 관찰하는 것은 재료공정을 제어하고 결과를 예측·분석하는데 있어서, 매우 중요한 일이라 할 수 있다.
