반응성이온식각 (Reactive Ion Etching (RIE))

한 줄 정의: 플라즈마 속에서 만들어진 반응성 이온과 라디칼을 이용해 화학반응과 이온의 물리적 충돌을 동시에 일으켜, 원하는 방향으로만 정밀하게 물질을 제거하는 건식 식각 기법.

쉽게 풀면

화학약품에 담가서 물질을 녹여내는 습식 식각은 모든 방향으로 고르게 파고들어 미세한 패턴의 모서리가 둥글게 뭉개지기 쉽다. 반응성이온식각은 이 문제를 해결하기 위해 플라즈마 속의 반응성 기체 이온을 전기장으로 가속시켜 기판 표면에 수직으로 내리꽂듯이 충돌시킨다. 이온이 화학적으로 표면과 반응해 물질을 깎아내는 동시에, 물리적인 충돌 방향이 수직이기 때문에 옆으로는 거의 파고들지 않고 원하는 깊이 방향으로만 정밀하게 깎여 나간다(이방성 식각). 광리소그래피나 전자빔 리소그래피로 만든 패턴을 그대로 기판에 깊이 새겨 넣는 반도체 미세가공의 필수 단계다.

왜 중요한가

반응성이온식각은 나노미터 수준의 정밀도로 수직에 가까운 패턴을 새길 수 있어 반도체 소자, MEMS(미세전자기계시스템), 나노포토닉스 소자 제작의 핵심 공정으로 자리 잡고 있습니다. 습식 식각으로는 구현할 수 없는 고종횡비(높이 대비 폭이 좁은) 구조를 만들 수 있어 집적도가 계속 높아지는 반도체 미세공정에서 대체하기 어려운 기술이며, 새로운 소재나 소자 구조를 다루는 논문에서 원하는 형태를 실제로 구현하는 제작 단계로 자주 등장합니다.

논문에서는 이렇게 쓰입니다

"실리콘 나노기둥 배열은 반응성이온식각을 이용해 수직 벽면으로 식각하였다."

플라즈마 이온을 이용해 실리콘을 옆으로 퍼지지 않고 곧게 아래로만 깎아내어 벽이 수직인 나노기둥을 만들었다는 뜻이다.

"불소 기반 가스와 산소 가스를 교대로 주입하는 보쉬(Bosch) 공정을 적용하여, 종횡비가 매우 높은 실리콘 관통 비아(TSV)를 형성하였다."

MEMS 및 3차원 집적 공정 논문에서는 가스 조성을 주기적으로 바꾸는 특수한 반응성이온식각 변형 공정을 활용해 매우 깊고 좁은 구조를 만드는 방식이 자주 소개됩니다.

"유도결합플라즈마 반응성이온식각(ICP-RIE)을 이용해 화합물 반도체 도파로 구조의 측벽 거칠기를 낮은 수준으로 제어하였다."

광소자 및 포토닉스 연구에서는 식각 후 표면 거칠기가 광 손실에 직접 영향을 주기 때문에, 이를 낮추는 공정 최적화 결과가 흔히 보고됩니다.

조금 더 깊게 보면

반응성이온식각은 화학적 반응(등방성 경향)과 이온의 물리적 충돌(이방성 경향)이 함께 작용하는 공정이기 때문에, 두 요소의 균형에 따라 식각 프로파일이 달라집니다. 실제 공정에서는 가스 조성, 압력, RF 전력, 바이어스 전압 등 여러 변수를 조절해 이방성 정도와 식각 속도, 선택비를 함께 맞추는 것이 중요하며, 유도결합플라즈마(ICP)처럼 플라즈마 밀도와 이온 에너지를 독립적으로 제어할 수 있는 장비를 사용해 더 정밀한 공정 제어를 하는 경우도 많습니다.

주의할 점

공정 조건(가스 종류, 압력, 전력)에 따라 식각 속도와 선택비(원하는 물질만 깎고 마스크는 남기는 정도)가 크게 달라지므로 세심한 공정 최적화가 필요하다.