PVD(Physical Vapor Deposition)에 대해 알아보자!(feat. 반도체 공정)

안녕하세요. 훈릴스입니다.

오늘은 PVD(Physical Vapor Deposition)에 대해 알아보는 시간을 가져보고자 합니다. 반도체 공정을 학습하시는 분이라면 정말 많이 들어보셨을 용어라고 생각됩니다. deposition 과정의 목표는 박막의 형성과 성장에 있어서 source에서 기판까지 원자를 조절하는 것입니다. 그래서 물리적인 도포 방법을 반도체 공정에서는 사용하는데, PVD는 다양한 박막 형성 방법이 존재합니다. evaporation은 원자들이 열에 의해서 조절되는 것이고 sputtering은 이온을 통해서 조절하는 방법입니다. 이에 대해서 알아보는 시간을 가져보겠습니다.

Evaportion

- evaporation을 통해서 박막을 도포할 때는 진공에서 진행됩니다. 진공은 저기압에 해당하고, 저기압에서는 기체는 이상 기체처럼 활동하므로 이상기체 방정식을 사용할 수 있습니다.

- 기체 분자의 농도 n이라고 하면,

n = \(N_{av}/V\) = \( P /kT \)

여기서 \(N_{av}\) : 아보가드로 수, k : 볼츠만 상수 입니다.

- 박막의 형성 시간은 기체 분자들의 기판 충돌 행위에 의해 결정됩니다.

복잡한 식이 있지만 여기서는 얘기하지 않도록 하겠습니다. 어차피 이것은 암기하는 것이 아니고, 데이터만 입력하면 컴퓨터에서 알아서 계산하므로 여기서 논하는 것은 옳지 않다는 생각이드네요.

- 방법 : 두 가지 방법이 존재합니다.

1) 고체 --> 녹음(액체상태) --> 기화

2) 고체 --> 기체(승화)

- Compounds(화합물)의 evaporation

metal - evaporation an atom cluster

compound - evaporating with molecular change

--> 기체 상과 원래의 구성성분이 다릅니다.

1) evaporation withouth dissociation

MX(Soild or Liquid) --> Mx(g) : \(B_{2}O_{3}\), SiO, SnO --> 기존과 기화된 상이 동일 구성성분을 가집니다.

2) Decomposition

MX --> M(s) + 1/n\(X_{n}\)(g) : \(Ag_{2}S\) 등

- 박막 두께의 Uniformity

기판의 위치 간격 그리고 진공 정도에 따라 달라집니다. 엔지니어들이 여기서 고생을 많이합니다. 따로 이론적인 수치가 없으니, 실험을 통해 공식을 유추해내고 이를 통해서 다시 검증하는 과정을 거칩니다. 그래서 새로운 공정이 만들어진다고 생각하시면 될 것 같습니다.

- 박막의 Purity

이물질의 농도에 따라 달라지게 됩니다. Source도 순도가 높은 것을 사용해야하고, heater나 crucible, boat에 오염물질이 없어야 합니다. 또한, 고진공을 잡아야 순도 높은 박막을 형성할 수 있습니다.

- Evaporation hardware

1) Resistant-heated evaporation

- 히터는 evaporation 온도에서 evaporant를 오염시키거나, 반응하거나, 용융되어서는 안됩니다.

- 도포된 박막은 source 재료와 완전한 구성요소를 가지기 힘듭니다.

- 두꺼운 박막은 형성이 힘듭니다.

- W wire, boat, crucible로부터 오염되므로 alumina를 사용하여야 합니다.

2) Electron - beam evaporation

- 순수한 박막이나 높은 녹는점을 가진 재료를 도포할 때 사용합니다.

- 4~20kV의 전압으로 가열된 필라멘트에서 열전자 방출이 일어나고 가속되어진 다음 Source를 녹입니다.

- 두꼐와 증착 속도는 10nm/sec 정도 입니다.

- shadowing과 step coverage가 안 좋기 때문에 기판 회전을 통해서 극복할 수 있습니다.

Sputtering

- 장치가 복잡해서 다양한 요소의 영향을 받습니다.

- target에 수많은 이온충돌이 일어나면, 수많은 atom들이 방출됩니다.

- 넓은 영역에 좋은 uniformity를 가집니다.

- 형성된 표면이 매끄럽고 두께 조절이 용이합니다.

- bulk 특성이 우수해서 공정 중 예측 가능하고 안정성이 높습니다.

- 다재다능한 공정입니다.

- 표면과의 접착력이 우수합니다.

- 빠른 속도로 증착됩니다.

- 다만, 장치가 복잡하고 유해성 가스가 사용됩니다.

- 박막의 온도제어가 곤란하다는 단점이 있습니다.

- sputtering 과정은 다음과 같습니다.

1. target이 metal일 때(DC Sputtering)

- 10~100mTorr Ar 주입

- \(Ar^+\)는 계속 소모되기에 일정양이 유지되게끔 계속해서 주입해야 합니다.

- 원리 : \(Ar^+\)이 음극의 source와 충돌해 중립 이온을 만들어내고, anode 측에 부착된 기판에 증착되는 원리입니다.

- e + Ar --> \(Ar^+\) + 2\(e^-\)

- 증착 속도는 압력과 전류에 의해 영향을 받습니다.

- low pressure --> MFP가 커지지만, 이온화 효율이 낮습니다.

- High pressure --> MFP가 작아서, 이온화 효율이 높습니다.

- 다만 너무 높은 압력에서는 Sputtered 된 atom 들이 너무 많은 충돌을 하기 때문에 박막 증착이 곤란합니다.

==> deposition rate는 power, current \(density^2\), 1/전극까지의 거리에 비례합니다.

--> etching 과 sputtering은 한 끝 차이인 것을 알 수 있습니다. 음극에 기판을 놓느냐, 아니면 source를 놓느냐에 따라 크게 etching이 되냐, 아니면 deposition이 되냐 차이입니다.

2. RF Sputtering(radio frequency)

- 절연성 재료를 도포하기 위해 만들어진 기기입니다.

- 절연성 재료는 비저항이 높아 이온을 얻기 힘들기 때문에 직류 대신, 교류를 사용합니다.

- 교류에 의해서, 플라즈마 안의 이온들은 진동하고 플라즈마 양은 증가합니다.

- 보통 5~30MHz의 주파수를 사용합니다.

- 13.56MHz에서 보통 진행됩니다.(국제법에 의해서)

3. Magnetron sputtering

- 돌아다니는 전자들을 음극으로 효율적으로 유인합니다.

- 증착속도를 증가시키는데 용이합니다.

이상으로 sputtering에 대해서 알아보았습니다. PVD는 정말 종류가 너무 많아서 내용을 정리하기가 정말 힘드네요. 그렇지만 하루하루 열심히 정리하면서 같이 알아가보아요. 찾아주셔서 감사합니다. 오늘도 좋은 하루 보내세요!