저번 포스팅에서 반도체에서 Thin Film Deposition을 위한 고려사항들을 공부했습니다.
오늘은 저번 시간에 배운 고려사항을 생각해서
어떻게 하면 각각의 변수들을 조절할 수 있는지를 공부할 것입니다.
예를 들어, 저번에 Step coverage에 대해 배웠습니다.
Step coverage 가 높을수록 위, 아래, 옆면이 동일하게 증착된다고 했습니다.
그러면 Step coverage를 좋게 하려면(uniformity를 높이려면) 어떻게 해야 하는지 오늘 설명하는 것입니다.
Deposition 방법을 4가지로 나누겠습니다.
| Types | PVD(Physical) | CVD(Chemical) | ECD(Electro-chemical Deposition) | Spin-on, Spray-on |
| Methods | Evaporation, Sputtering, Pulsed laser Deposition(PLD), Molecular Beam Epitaxy(MBE) |
LPCVD, APCVD, PECVD, HDPCVD, ALD, MOCVD |
Electroplating, Electroless plating |
like coating |
| How to deposit | 물리적으로 붙여서 박막을 형성 | chemical reaction을 이용해서 박막을 형성 | 전기도금을 사용해서 박막을 형성 | 코팅하듯이 뿌리는 형태 |
| Where to Use | metals, metal oxide | Si(poly, epitaxial) dielectrics(SiO2, PSG, Si3N4, etc.), Metals |
metals | PR, Spin-on-dielectric |
각각의 방법에는 장단점들이 존재합니다.
Step coverage를 좋게 하는 공정을 선택해야 할 수 있고,
불순물이 적은 공정을 선택할 수 있고..
등등의 이유로 각각을 잘 알아둬야 합니다.
오늘은 PVD 공정에 대해서 자세히 공부해보겠습니다.
다음 포스팅은 CVD, ECD 순으로 진행되겠네요!(많다..)
Physical Vapor Deposition(PVD)
말 그래도 물리적으로 박막을 형성하는 공정입니다.
따라서 증착하고자 하는 물질이 또로로로 와서 붙는 공정입니다.
달리 말해 화학적인 반응이 적은 공정이기 때문에 보통 Metal 증착에 사용됩니다.
왜냐하면 Dielectric은 화합물로 이루어져 있어서 CVD를 쓰지만 Metal은 순수 물질을 쓰는 경우가 많기 때문이죠!
그러면 증착하고자 하는 물질이 어떻게 또로로로 와서 붙을까요?
바로 sputtering 방법과 evaporation 방법이 있습니다.
1-(1) Sputtering
먼저 Sputtering에 관해 알아봅시다!
이를 알기 위해서는 PVD를 위한 장비가 어떻게 생겼는지 먼저 살펴보겠습니다.
이와 같이 장비 내부가 구성되어 있습니다.
위아래로 전극이 존재하고 아래에는 Substrate, 위에는 Target물질이 붙어있습니다.
자, 여기서 Plasma라는 것을 알아야 하는데,
지금은 에너지가 매우 높은 원자, 이온들이라고 생각하시면 될 것 같습니다.
(여기서 chamber내의 플라스마에 관해 더 알고 싶으신 분들은 DC discharge에 대해 추가로 공부하시면 됩니다.)
(플라스마에 관해서는 따로 포스팅하겠습니다.)
Target에 음극을 연결하기 때문에
플라스마를 형성하는 에너지 높은 양이온(Ar+)이 Target(증착하고자 하는 금속)을 때립니다.
그러면 이 금속이 떨어져서 Substrate위에 붙어 증착됩니다.
위 그림에서는 Target이 하나의 물질이지만,
Target을 세 가지를 연결해서 사용하는 경우도 많습니다.
그것을 co-sputtering이라고 부릅니다.
이때 chamber 내에 Plasma를 늘려 더 빨리 증착되게 할 수 있습니다.
Plasma Physics에 대해 알아야 하는데, 중요하니 간단하게 설명하겠습니다.
이 부분은 넘어가셔도 돼요!
Plasma는 자연에서 매우 매우 큰 에너지에 의해 만들어집니다.
하지만, 현실 세계에서 우리가 Plasma를 만들기 위해서는 전압을 인가합니다.
그래서 위의 장비에서도 한쪽에는 음극, 한쪽에는 양극이나 gnd를 연결해 전기장을 만들죠.
원자 → 양이온, 음이온, 라디칼
Plasma, Radical(플라즈마와 라디칼)
반도체를 공부하면서 아주 중요하게 다루는 내용 중에 하나가 플라즈마라고 생각합니다. 플라즈마를 이용한 공정이 많은 것 같아요! 오늘은 플라즈마와 라디칼에 관해서 간단하게 배워보도록
univ-life-record.tistory.com
이 부분을 참고하시면 됩니다!!
위 설명과 같이 전기장에 의해 plasma가 형성되기도 하지만
자기장에 의해서도 이온들은 힘을 받기 때문에 Plasma형성을 가속화시킬 수 있습니다.
전자기학 과목에서 전기장과 자기장이 존재할 때 이온들의 움직임이 바뀌는 것과 비슷하게 생각하셔도 됩니다.
즉, 자기장에 의해서 Ionization 정도를 늘릴 수 있고 이는 플라스마 형성을 더 잘되게 해 줍니다.
즉, 증착이 빨리되는 것이죠.
자기장을 만들려면 자석을 넣으면 되죠!
따라서 Target 물질이 붙은 뒤쪽에 N, S극의 자석을 넣어서 Magnetron Sputtering을 만들어낼 수 있습니다.
1-(2) Reactive Sputtering
제가 앞서 설명할 때 PVD는 주로 metal을 증착한다고 설명했습니다.
그럼 화합물인 유전체도 증착하는 경우가 있긴 하다는 의미입니다.
Matallic target을 사용하고 reactuve gas를 넣어서 thin film of compounds를 만듭니다.
그래서 반응성 스퍼터링이라고 부릅니다.
제가 직접 그린 Reactive Sputtering 그림입니다^^..
2. Evaporation
이 공정도 물질을 또로로 붙이는 것은 동일하지만,
sputtering과 다르게 열로 Target물질을 녹여서 증발을 통해 증착합니다.
물질이 녹아서 증발을 통해 Substrate까지 가려면 압력이 매우 낮아야 합니다.
그래서 vacuum chamber의 압력은 보통 10^-5 torr 보다 낮게 설정합니다.
여기서 고려해야 할 점은 이온의 mean free path 보다 chamber의 크기가 작아야
위에 substrate까지 가서 붙을 수 있습니다.
이를 line-of-sight deposition이라고 부릅니다.
부딪히지 않고 soft 하게 붙기 때문에 접착력이 매우 낮습니다.
또한 sputtering과 다르게 녹여서 증발시키기 때문에 재료마다 녹는점이 달라 조성을 맞추기 힘들다는 단점이 있습니다.
그렇다면 물질을 어떻게 녹일까요?
1) Crucible
이와 같이 전류를 흘려 열을 발생시키고 이로 인해 녹은 Source material 이 증발됩니다.
하지만 이는 단점이 있습니다.
1. Crucible에서 나오는 Oxygen 불순물
2. 다 녹여야 하니까 느리다
3. point 지점이 넓기 때문에 wafer 모든 면에 고르게 deposition 되지 않을 수 있다.
2) Electron Beam
전자 빔을 쏴서 녹이는 방법입니다.
녹이는 지점이 Crucible과 다르게 point이기 때문에
모든 wafer에 동일한 두께의 Deposition을 할 수 있다는 장점이 있습니다.
또한 Crucible보다 빠르게 녹일 수 있습니다.
하지만 가운데만 파인다는 단점이 있습니다.
3. 정리
PVD 공정에는 sputtering과 evaporation이 있고 각각은 상황에 따라 달리 쓰일 수 있습니다.
PVD 공정을 쓰는 상황은 CVD와 비교했을 때 고순도, 낮은 온도의 공정을 원할 때 사용합니다.
하지만 Step coverage가 좋지 않고 느립니다. 또한 멀리서 또로로 날아와 붙기 때문에 접착력이 낮습니다.
4. 마지막 추가
마지막으로 MBE(Molecular Beam Epitaxy)과 PLD(Pulse Laser Deposition)에 관해 간단하게 비교하겠습니다.
MBE는 결정구조와 같게 증착시키는 방법으로 초고진공에서 진행되는 Deposition입니다.
원자/분자 빔을 쏴서 증착시켜 정밀한 증착이 가능하고 나노 소자에 쓰입니다.
PLD는 Evaporation에서 Electron Beam으로 생각하면 됩니다.
그리고 일반적인 Evaporator 방식은 Crucible에서 열로 녹이는 방식이라고 생각하시면 됩니다.
이 세 가지를 비교하면 다음과 같습니다.
자꾸 내용을 추가하다 보니 글이 조금 길어졌습니다.
오늘도 행복한 하루 보내세요~
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