< Sputtering의 원리 >
Sputtering을 이해하는데 있어서 우리는 어림적 구슬치기를 연상해 보자.
"구슬들이 모여있는 곳에 구슬을 던지면 구슬들은 본래 자기 위치를 벗어나 위치하
게 된다.
Sputtering의 원리도 이와 같다.
이 세상에 존재하는 모든 물질은 원자와 분자의 결합으로 이루어져 있다.
이러한 원자와 분자를 구슬로 생각한다면 모든 물질은 구슬의 집단과 다름이 없다.
이 구슬의 집단을 다른 구슬로 때린다면 이 구슬들은 위치를 이탈하게 된다.
이것이 바로 Sputtering이다. 바꾸어 말하면 Ion이 물질의 원자간 결합에너지 보다 큰 운동 에너지로 충돌할 경우 이 Ion의 충격에 의해 물질이 격자간 원자가 다른 위치로 밀리게 되며 원자의 표면 탈출이 발생하게 된다.
Ion의 충격에너지는 이 물질을 증발시키는데 필요한 열에너지의 약 4배 이상의 에너지를 가져 물질에서 원자를 때려 탈출시키는데 충분하다.
이러한 현상을 물리학에서 Sputtering이라 말한다.
이러한 Sputter 현상을 이용하는 장비를 Sputtering System 이라하는데 Glow discharge를 이용하는 것이다.
통상 Glow 방전이라 말하는 것은 음극 전면에 음극 암부, 음 Glow 등이 있고 양극측에는 커다란 양광주가 있다.
이 Glow 방전에서 양,음극간의 전압은 음극 암부(Dark Space)에 있고 양광주 부분에는전압 강하가 거의 없다.
방전에 의해 발생된 양ion은 전계에 의해 힘을 받아 음극에 충돌하여 음극 물질을 탈출시킨다.
이때 ion이 가지는 운동에너지는 양 전극간의 전압에 전하를 곱한 것은 아니며 음극 전면의 전계 강도에 전하와 ion의 평균 자유행정을 곱한 평균치로 나타낼 수 있다.
Sputtering에서 Gas압이 10 E-2 Torr 일 때 10eV 전하의 평균 자유행정은 0.53Cm이며 10 E-3 Torr에서 평균 자유행정은 50 mm 정도이다. Ion의 평균 자유행정도 별 차이가 없다.
Sputtering System의 기본적인 전극 배치가 나타나 있는데 정리하는 차원에서 다시 한번 설명하면 10E-2∼10E-3 Torr를 손쉽게 구할 수 있고 무거운 비 반응성 기체인 Argon Gas분위기 내에 양극과 음극을 배치하여 전압을 걸어 주면 방전이 일어난다.이 때 음극에서 무수한 전자들이 나오는데 이 전자들과 Argon Gas 와 충돌한다.
이로 인해 Argon Gas는 전하 하나를 잃어 버리 면서 양이온(Ar+)상태가 된다.
이 Ar+은 음극으로 가속되어 음극 물질을 Sputter 시키는데 이때 음극 물질을 Target 이라하며 Sputter된 Target 원자가 붙여지는 곳을 Substrate 라 한다.
여기서 전자와 Ar Gas 원자가 충돌할 때 열전자와 광전자가 튀어나와 파란빛이 나오며 복사열이발생한다. 이를 보고 Argon Gas Plasma 라고 한다.
스퍼터의 방식에 대하여
1. 스퍼터링의 원리는 스퍼터타겟 표면을 높은 에너지의 입자로 충돌시켜 그 충격으로 타겟의 원자를 스퍼터(sputter)시티는 것입니다.
높은 에너지의 입자를 만드는 가장 간단하고 경제적인 방법은 타겟표면에 플라즈마를 만드는 것이죠.
(현광등 안이 바로 플라즈마 상태죠). 플라즈마 내에 있는 +이온을 가속시키려면 마이너스(-)전압을 가해야 겠죠. 그래서 DC스퍼터의 경우에는 마이너스전압을 가해야 합니다.
그리고 마이너스 전압을 가해야 +이온이 가속되어 표면에 돌진하여 스퍼터링도 시킬수 있을 뿐 아니라,그 충돌시 발생하는 2차전자가 플라즈마를 계속해서 유지시키는 동력이 됩니다.
2. pulse type DC sputter: 펄스타입 DC 스퍼터라 함은 일반적으로 마이너스 (-)DC 파워를 가해스퍼터링을 해주다가 그 중간 중간에 잠시 플라스(+) DC파워를 펄스로 가해주는 것은 말합니다.
그 이유는 다음과 같습니다.타겟표면의 일부가 어쩌다 비전도체 물질로 오염이 되어 있는 경우 +이온에 의하여 그 비전도체물질표면이 플라스(+)로 대전이 됩니다. 이와 같이 플라스로 대전이 진행됨에 따라 +이온이 이 물질위에는 가속되지못하여 그 물질을 스퍼터로 제거할 수 없게 됩니다.
이 경우 스퍼터링도 잘 되지 못하게 될 뿐아니라, +이온의 충돌에 의한 2차전자의 발생도 줄어들게 되어 플라즈마가 불안전하게 되고 그 증상이 심해지면 플라즈마가 꺼져서 스퍼터링을 할 수 없게 됩니다.
이를 방지하기 위하여 펄스로 중간중간에 아주 짧은 기간동안 플라스DC파워를 가해주면, 마이너스 전자가 타겟 표면에 이동하여 그 비전도체 표면의 플라스 대전을 제거시켜줍니다.
그후 다시 마이너스 파워를 걸어주면 그 비전도체표면물질도 잘제거가 되고 플라즈마도 잘 유지가 됩니다.
이 펄스타입은 마이너스 파워를 걸어주다가 잠시 펄스로 플라스 파워를 가해주는 것이지만, 그렇다고 RF파워를 가해주는 것과는 그 플라즈마 특성이 크게 다릅니다.
3. 파워는 전압에 전류를 곱한 것입니다. DC파워와 마찬가지로 RF파워에서도 그 파워 전부 플라즈마 형성과 스퍼터링에 관련된 것입니다.실제로는 RF 플라즈마는 DC플라즈마보다 더 효율적이고 고밀도이며 스퍼터링에 적절한 이온 에너지를 제공하기 때문에, RF 100W는 DC 100W보다 더 스퍼터링 효율이 좋습니다. 그 대신 RF 파워장치(power supply)는 DC 파워장치보다 매우 비쌉니다.
[출처] Sputter (스퍼터)|작성자 제이벡 Jvac