스퍼터링(Sputtering)은 집적회로 생산라인 공정에서 많이 쓰이는 진공 증착법의 일종으로 비교적 낮은 진공도에서 플라즈마를 이온화된 아르곤 등의 가스를 가속하여 타겟에 충돌시키고, 원자를 분출시켜 웨이퍼나 유리 같은 기판상에 막을 만드는 방법을 뜻한다
- Sputtering (스퍼터링) 공정
앞서 소개했던 Evaporation 방식의 증착 공정은 공정상의 한계가 명확하므로 현대의 산업에선 잘 쓰이지 않는다.
이번엔 현대 산업에서 많이 쓰이고 있는 PVD 공법인 스퍼터링 (Sputtering)공정에 대해서 알아보겠다.
Sputter이라는 영단어의 직역은 '탁탁거리는 소리' 이다.
이 의미를 공정에서 Target물질을 '탁탁' 쳐 내면서 증착시킨다고 생각하면 쉽다.
Sputtering (gfycat.com)
Sputtering을 한 문장으로 표현하자면.
"이온화된 가스 원자를 Target 물질에 충돌시켜 기판에 박막을 형성하는 공정" 혹은
"높은 에너지를 갖는 이온을 고속으로 Target에 충돌하여 떨어져 나오는 금속 입자를 증착하는 공정"이라고 할 수 있다.
이를 위의 gif에서 보자면 큰 빨간색 +이온이 Ar이온이고 떨어져 나오는 노란색 작은 원이 바로 Target 물질이다.
이러한 Sputtering 방식도 여러 종류가 존재하는데 DC sputtering, RF sputtering, Reactive Ion sputtering을 보겠다.
먼저 Sputtering에서 빠질 수 없는 Plasma 라는 물체의 상태에 대해서 조금만 알고 넘어가자면.
Plasma
Plasma란 우리가 흔히 알고있는 고체, 액체, 기체 로 불리는 물질의 3가지 상태를 넘어선 4번째 상태를 말한다.
말 그대로 고체 액체 기체 플라즈마 순서로 높은 에너지를 가지고 있다고 생각해도 된다.
이 떄 Plasma 상태의 물질은 기체상태와 비슷하지만, 높은 에너지를 받은 상태이기 때문에 원자핵의 결합에서 자유로운 전자와, 전자를 잃어 양전하를 띄게 된 이온으로 구성된 상태를 생각하면 된다.
- DC Sputtering (Magnetron)
DC sputtering (semicore.com)
첫번째로 DC Sputtering 방식이다.
말 그대로 DC(직류전원)을 인가해서 Chamber 내의 불활성가스 (대체로 Ar가스)를 Plasma 상태로 만드는 것이다.
(여기서 Cathode 전극쪽에 있는 영구자석은 자석에 의해 생긴 자기장이 Target 물질로 Ar+이온을 잘 끌어와 잘 부숴주기 위함이다. 즉 Plasma를 더 강하게 하지 않아도 자석의 자기장이 힘을 보태어 주어 더 효과적으로 Target을 부순다.)
이 때 음극(-)을 가진 Cathode쪽에 Target물질을 놓고, 양극(+)를 가진 Anode전극에 substrate를 위치시킨다.
이렇게 대전된 뒤 전극 내에서 전자기장의 에너지를 받아 Ar+로 이온화 되고, 두 전극 사이에 Plasma가 발생한다.
DC sputtering (semicore.com)
이렇게 발생된 Plasma 상태에서, 이온화된 Ar+이온은 음(-)으로 대전된 Cathode 전극으로 강하게 끌리게 되고, 끌려간 이온이 Cathode 위에 붙어있는 Target 물질과 부딪히면서 물질의 원자와 이온들을 방출시킨다.
이렇게 부서진 Target 물질은 직진성을 가지고 Substrate 위에 안착되어 박막을 형성하게 되는 원리이다.
※ DC Sputtering 방식은 부도체에서는 사용할 수 없다. 왜냐하면 Cathode(-)쪽에 위치하는 Target 물질이 도체일 경우에는 같이 대전되어 음극의 역할을 방해하지 않지만, 부도체가 Target 물질일 경우엔 음극 자체가 부도체에 의해 양이온으로 대전되어 버린다.
유전분극에 의해 극성을 가진 부도체 (marriott.tistory.com)
이는 부도체도 유전분극에 의해 극성을 띌 수 있게 되는데. 처음 전압을 인가했을 때에는 Ar+ 이온이 정상적으로 Target에 도착하지만, Cathode 반대편의 부도체 표면은 똑같이 (-)로 대전되어 있으므로 쿨롱의 힘에 의해 붙어버린다.
Plasma 현상에 의해 접근한 Ar+이온이 붙음 (marriott.tistory.com)
그렇게 Ar+ 이온들이 점점 부도체 표면을 덮어가게 되면 곧 부도체 Target은 양이온으로 대전되어 버려 Plasma 상태를 더이상 유지할 수 없게 되버린다.
더이상 충돌하지 않게 된 Target (marriott.tistory.com)
이러한 점 때문에 부도체를 이용하여 박막을 형성하려 할 때에는 DC 방식을 사용할 수 없고, 이를 극복할 수 있는 방안이 바로 다음 포스트에서 알아볼 RF Sputtering 방식이다.
※ Magnetron Sputtering.
앞선 DC Sputtering부터 시작해서 계속해서 Magnetron이라는 이름이 같이 종종 보이는데, 이는 단순히 스퍼터링 장비에서 전극의 에너지를 이용한 스퍼터링을 하지 않고, 아주 강력한 영구자석의 힘을 빌리기 때문이다.
원래 초창기 스퍼터링 장비에는 영구자석이 쓰이지 않고 사용되어 왔지만, 효율과 생산성에 있어서 월등히 좋기 때문에 이제는 당연하게 쓰이게 되었다.
Magnetron (broadstyle.tistory.com)
Magnetron 방식을 적용하면 위의 그림과 같이 영구자석의 자기장의 도움을 받을 수 있게 된다.
로렌츠 힘 (numong22.tistory.com)
이 자기장 내에서 전자는 로렌츠의 힘에 의해 자기장의 방향으로 가속된다. (힘을 더 받게 된다)
이를 통해서 단순히 전극의 에너지만을 받은 Ar 가스보다 Magnetron 주위에서 더 강하게 Plasma가 일어난다.
이를 통해서 기존 Plasma를 통한 박막 형성보다 필요한 압력을 10배 줄이고 성장속도 또한 10~100배 늘릴 수 있다.
Erosion 영역 - 침식영역 (broadstyle.tistory.com)
그러나 세상이치가 그렇듯. Magnetron 방식은 뚜렷한 장점을 가지고 있지만 뚜렷한 단점 또한 존재한다.
위의 그림과 같이 우리가 배치한 영구자석의 극 위치는 고정되어있다.
극의 위치가 고정되어 있다는 것은 곧 자기장의 선속 또한 기판 위에서 고정되어 있다는 것이다.
선속이 고정되어 있다는 것은? 바로 Target 근처에서 강한 Plasma를 일으키는 장소가 정해져 있다는 것이다. (!)
이렇게 고정된 자기선속에 의해 강하게 Sputter 되어 침식되는 영역을 Erosion 영역이라고 한다.
이렇게 Sputter된 Target물질은 직진성을 가지고 Substrate에 증착이 되기 때문에, 박막의 균일도에 문제가 생긴다.
또한. 이 상태로 계속해서 Erosion 영역만 강한 침식이 일어나게 된다면, 일정 수준의 침식 이후에는 더이상 Sputter가 일어나지 않고 그대로 양이온이 Target에 박혀버리는 현상도 생긴다 (Ion Implantation)
(이는 입사각에 따른 에너지량의 변화 때문인데. 침식이 강하게 일어난 곳은 점점 파이면서 입사각이 증가하여 발생한다)
이러한 Magnetron 방식의 단점을 보완하기 위해 고안된 방으로 Ion Gun을 부착한 증착장비도 존재한다.