진공증착의 개요
박막을 제조하는 기술은 크게 물리적 방식을 이용하는 Physical Vapor Deposition(PVD)과 화학적 방식을 이용하는 Chemical Vapor Deposition(CVD)로 분류될 수 있다. PVD는 CVD에 비해 작업조건이 깨끗하고, 진공상태에서 저항열이나 전자beam, laser beam 또는 plasma를 이용하여 고체상태의 물질을 기체상태로 만들어 기판에 직접 증착시키는 박막제조 방식이다. PVD방식으로 제조할수 있는 박막재료는 금속, 합금을 비롯하여 화합물, 비금속 산화물 등이 있다.
이들 박막을 기능별로 분류하면 다음과 같으며, 각 기능별로 특성에 따른 응용분야를 조사하면 그 범위가 매우 넓다. 위에서 언급한 응용에는 최근 모든 기술의 경향인 device의 소형, 경박화의 추세에 따라 급격히 확산되고 있다. CVD는 증착하고 싶은 필름을 개스 형태로 웨이퍼 표면으로 이동시켜 개스의 반응으로 표면에 필름을 증착시키는 방법이다.
Thermal Evaporation 1. 저항열을 이용한 evaporation
열 source로는 고융점의 filament, baskets 또는 boats 등과, 용융점이 넓은 재료의 evaporation에 적합한 electron beam이 있다. W(m.p. : 3380℃, 10-6Torr에서는 2410℃) Mo(m.p. : 2510℃, 10-6Torr에서는 1820℃) Ta(m.p. : 3000℃, 10-6Torr에서는 2240℃) 저항열을 이용한 evaporation은 용융점이 낮은 재료(예:Al, Cu, Ag, Au....)의 증착에 유리하며, 증착속도는 filament에 공급하는 전류량을 조절함으로써 변화시킬 수 있다.
2. Electron Beam Evaporation 전자 beam을 이용한 증착방법은 증착재료의 용융점이 넓은 경우(예:W, Nb, Si)에 주로 사용된다. Electron beam source인 hot filament에 전류를 공급하여 나오는 전자 beam을 전자석에 의한 자기장으로 유도하여, 증착재료에 위치시키면 집중적인 전자의 충돌로 증착재료가 가열되어 증발한다. 이때 윗부분에 위치한 기판에 박막이 형성된다. Electron beam evaporation의 특징을 보면
(장점)
-. 증착속도가 빠르다.(50Å/sec 가능)
-. 고융점 재료의 증착이 가능하다.
-. Multiple deposition이 가능하다.
(단점)
-. X-ray 발생
-. e-beam source 위에 원자의 농도가 크므로 와류 또는 discharge가 심하다.
Sputter Deposition 1. Sputter deposition의 원리 및 특징
Sputtering은 chamber내에 공급되는 gas cathode에서 발생되는 전자 사이의 충돌로부터 시작된다.
그 과정을 보면 -. 진공 chamber내에 Ar과 같은 불활성기체를 넣고
(약 2∼15mTorr 정도), cathode에 (-)전압을 가하면 -. cathode로부터 방출된 전자들이 Ar 기체원자와 충돌하여, Ar을 이온화시킨다.
Ar + e-(primary) = Ar+ + e-(primary) + e-(secondary) -. Ar이 excite되면서 전자를 방출하면, 에너지가 방출되며, 이때 glow discharge가 발생하여 이온과 전자가 공존하는 보라색의 plasma를 보인다.
-. plasma내의 Ar+이온은 큰 전위차에 의해 cathode(target)쪽으로 가속되어 target의 표면과 충돌하면, 중성의 target원자들이 튀어나와 기판에 박막을 형성한다. Sputter deposition의 장단점을 보면
(장점)
-. 여러 가지 다른 재료에서도 성막속도가 안정되고 비슷하다.
-. 균일한 성막이 가능, step 또는 defect coverage가 좋다.
-. 박막의 응착력(adhesion)이 좋다.
-. 금속, 합금, 화합물, 절연체 등 다양한 재료의 성막이 가능하다
-. Target 냉각이 가능, 큰 target 사용 가능하다.
-. 기판의 sputter etching으로 pre-cleaning이 가능하다.
-. O2, N2 등의 reactive sputter로 산화물, 질화물 박막의 형성이 가능하다.
(단점)
-. 성막속도가 낮다.(<10Å/sec) ⇒ Magnetron sputtering으로 증가시킬 수 있다.
-. High energy deposition 이므로 박막의 불균일과 damage 발생요인이 된다. ⇒ 성막 후 열처리로 불균일과 damage 감소시킴.
-. 박막이 전자, UV, 이온 등에 노출되어 가열된다.(100∼150℃) ⇒ 기판 holder의 수냉이 필요하다.(필요에 따라)
-. 성막조건이 민감하고 서로 영향을 끼친다. ⇒ Ar 기체 압력, 전압, bias 전압, 기판온도 등을 조절한다. Sputtering 할 때 조절해야 할 조건은 다음과 같다.
-. 기판재료 선정 및 세정
-. 박막두께 결정 및 조성결정
-. 박막조성에 따른 target 결정
-. 기판온도 결정
-. Background 압력결정 : 1×10-5∼1×10-6 Torr
-. Ar 기체 압력결정
-. Input power 결정
-. Reflected power를 "0"으로 setting
-. 기판 bias 전압결정
-. 기판회전시 기판회전수 결정
-. 기판과 target 사이 거리 결정
-. Reactive sputtering시 반응성 기체의 압력결정
-. 위의 조건들로부터 각 경우의 성막속도 결정
-. 성막속도에 따른 성막시간 조절로 박막의 두께를 결정
2. Sputtered 박막의 구조
Sputter deposition한 박막의 구조는 앞의 성막조건에 따라 다공성(porous)구조, 조밀(dense)구조, 주상정(columnar)구조, 조대(coarse)구조 등의 다양한 형태로 나타난다.
Sputtered 박막은 조성 또는 성막조건에 따라 다결정 또는 비정질로 형성될 수도 있다.
특히 기판온도가 낮아 기판에 도달하는 원자의 이동성이 작을 경우 주상정의 비정질 박막형성이 용이하다.
기판온도가 충분히 낮고, Ar 기체의 압력이 높아 성막속도가 빠르면, 기판에 도달하는 원자의 표면확산이동이 작으므로 미세한 입자가 형성된다.
Sputter된 합금 박막은 위에서 보여진 주상정 박막의 구조적 불균일 이외에도 박막조성의 불균일을 자주 보인다.
우선 합금 target을 sputter할 때, 형성되는 박막의 조성은 target 조성과 일치하지 않는다.
이는 합금 구성원소의 원자량 차이에 따라 고유 sputter yield가 다르기 때문이다. 또한 두가지 이상의 순수원소 target들을 동시에 sputter하고, 그 밑에서 기판을 회전시켜 형성한 compositionally modulated structure(CNS)를 갖는 박막들은 합금조성의 조절에 큰 어려움이 따른다.
천이금속과 metalloid 원소, 또는 천이금속과 산화되기 쉬운 원소 사이의 합금 박막에서는 구조적 불균일과 조성적 불균일이 모두 나타나기 쉽다.
이는 metalloid나 산화되기 쉬운 원소가 진공 chambers내의 잔류산소와 반응하여 천이금속 입자 주위를 둘러싸는 산화물을 형성하고, 천이금속 입자가 거의 완전히 고립되어 주상정으로 성장하는 불균일로서 보여진다.
이러한 불균일성은 원자의 입사각, 기판 bias, 성막전 기판가열, 성막후 박막가열 등의 sputter 조건에 따라 조절된다.
-. Ar 압력이 증가하면, plasma 방전전류의 증가로 인해 target으로 향하는 이온전류밀도의 증가에 의해 증착속도가 증가하는 효과 및 sputtering된 입자들과 방전가스와의 scattering이 알곤 압력의 증가에 따라서 더 심해져서 증착속도가 감소하는 효과가 동시에 나타남.
-. RF sputtering시 기판온도 상승의 원인은 주로 target에서 발생한 이차전자 ⇒이온이 target과 충돌시 발생된 이차전자를 target 전압과 거의 같은 에너지를 갖고 튀어나오며 이들은 target이나 gas 원자보다 월등히 작기 때문에 기판까지 에너지 손실 없이 도달하게되어 기판 온도 상승을 유발
-. 기판온도의 증가는 기판에 도달한 원자들의 이동도를 증가시켜 이들로 하여금 안정된 자리로 이동할 수 있도록 하여 결정화 및 치밀화에 기여함.
-. RF 전력을 증가시킴에 따라 sputtering된 입자들이 더 높은 에너지를 갖고 기판에 도달하게 됨으로써 원자들의 이동에 필요한 여분의 에너지를 공급하게 되어 결정화를 유발하게 된다.
-. 증착속도가 증가하면 원자들이 미처 안정된 자리로 못간 상태에서 계속 그 위에 sputtering된 원자들이 도달하게 되어 결정화 및 치밀화를 저해함.
3. DC Sputtering
직류전원을 이용한 sputtering 방법이다. DC sputtering의 특징을 보면
(장점)
-. 구조가 간단하며, 가장 표준적인 sputter 장치이다.
-. 성막속도가 여러 종류의 금속에 대해 거의 일정하다.
-. 전류량과 박막두께가 거의 정비례하므로 조절이 쉽다.
-. RF sputtering에 비해 성막속도가 크다.
-. 박막의 균일도가 크다.
-. 높은 에너지의 공정이므로 밀착강도가 높다.
(단점)
-. Target 재료가 금속에 한정된다.
-. 높은 Ar 압력이 필요하다.(10∼15 mTorr)
-. 기판이 과열되기 쉽다.
위와 같은 결점은 diode 대신 tride형으로 하여 plasma 형성용 전자방출 전극을 이용. 전자와 기체의 충돌을 촉진시킴으로써 낮은 Ar 압력하에 sputter할 수 있게 하거나, magnetron방식을 사용하여 해결할 수 있다.
4. RF sputtering DC sputtering에서는 target이 산화물이나 절연체일 경우 sputtering되지 않는다. 이러한 단점은 RF sputtering함으로써 해결될 수 있으며 특히 낮은 Ar 압력에서도 plasma가 유지될 수 있다. RF sputtering은 금속 이외에도 비금속, 절연체, 산화물, 유전체 등의 sputtering이 가능하며 주로 13.56MHz의 고주파 저원을 사용한다.
[출처] 진공증착 개요 및 원리.|작성자 제이벡 Jvac