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이번 교육에서는 PVD에 대해 다루어보도록 하겠습니다. 특히 Sputter의 경우 plasma가 활용되기 때문에 plasma에 대해서 심도있게 다루어보도록 하겠습니다.
[질문 1]. PVD 공정에 대해서 설명해주세요.
PVD는 Physical Vapor Deposition으로 화학적 반응을 수반하는 CVD와 달리 타겟 원자의 운동에너지만으로 막질을 형성합니다. 운동에너지를 갖는 타겟 원자와 충돌하여 산란이 일어날 수 있으므로 고진공 상태에서 공정이 진행됩니다. 화학적 반응을 수반하지 않기 때문에 clean하며, 독성 반응 가스가 필요하지 않아 안전하고 박막간 adhesion이 비교적 높은 장점이 있습니다. 하지만 저압에서 공정하다 보니, Mean free path, MFP가 길고, 직진성을 가지고 있기 때문에 gap을 가지는 profile에서 CVD 대비 side step coverage 특성이 상대적으로 불량합니다.
[꼬리 1-1]. PVD의 종류에 대해서 설명해보세요.
PVD는 타겟원자에 에너지원 타입에 따라 Evaporation과 Sputtering 으로 크게 분류됩니다. Evaporation은 반응소스를 증발시킴으로써 기판에 박막을 증착하는데 반응소스를 증발시키는 에너지원으로 thermal evaporation과 e-beam evaporation으로 분류합니다. e-beam evaporation은 thermal evaporation 대비 고에너지의 전자빔으로 타겟소스를 증발시키기 때문에 녹는점이 높은 타겟원자를 증착할 때 주로 사용합니다. Sputtering은 플라즈마의 양이온에 Bias를 인가하여 타겟에 플라즈마 내 양이온을 충돌시켜 타겟원자들이 sputtering 되면서 운동에너지를 가지고 기판 위에 증착되는 방식입니다.
[꼬리 1-2]. Thermal Evaporation의 원리에 대해서 설명해보세요.
Thermal evaporation은 증착하고자 하는 소스에 thermal energy를 가해줌으로써 타겟 소스가 증발하면서 기체화되어 기판에 증착되는 원리입니다. 기화되면서 타겟 소스는 운동에너지를 가지고 기체에 비해 낮은 온도를 가지는 기판 표면에서 기체원자들이 응축되면서 박막이 형성됩니다. 화학적 반응을 수반하지 않고, 직진성을 가지는 타겟소스가 기판 위에 증착되는 것이기 때문에 챔버 내부는 다른 입자와의 산란을 방지하기 위해 10e-05~10e-7의 고진공을 유지해야 합니다.
[세부설명] 진공과 Mean free path 관계
PVD는 대표적인 진공증착입니다. 여기서 고려해야 할 점은 바로 열에너지로 기화된 타겟소스는 직진성을 가진다는 것입니다. 타겟소스가 가열되면서 열에너지에 의해 원자간의 결합을 끊고 이탈하게 되면서, '오직' 이 때 얻은 에너지만으로 기판까지 도달해야 합니다. 그렇기 떄문에 챔버 내부에 입자나 불순물에 충돌하게 되면 에너지를 잃게 되면서 박막의 uniformity가 저하될 수 있습니다. 그렇기 때문에 Evaporation 공정은 타겟 소스의 초기 운동에너지가 박막형성에 기여하기 때문에 고진공이 요구됩니다.
이러한 고진공은 Mean Free path, MFP의 관점으로 설명할 수 있습니다. 챔버 내부에 입자나 불순물이 많을수록 타겟소스의 평균자유행로가 짧아지면서 기판에 균일하게 도달하지 못하게 되어 박막 Uniformity가 저하됩니다. 고진공에서는 MFP가 길어지기 때문에 타겟 소스가 기판까지 에너지 손실 없이 도달하기 때문에 균일한 박막을 형성할 수 있습니다.
[꼬리 1-3]. E-beam Evaporation의 원리에 대해서 설명해보세요.
E-beam evaporation은 thermal evaporation과 달리 증착하고자 하는 타겟소스를 열에너지가 아닌 전자빔을 이용하여 충돌에 의해 반응소스를 증발시킵니다. 전자빔은 보통 국부적으로 3,000℃ 이상의 열을 발생시킬 수 있기 때문에, thermal evaporation에서 증발시키지 못하는 낮은 증발 압력을 가지는 물질들을 증발시킬 수 있어 보다 폭넓은 물질을 증착할 수 있는 장점을 가지고 있습니다.
[꼬리 1-4]. Evaporation 공정의 장점에 대해서 설명해보세요..
Evaporation 공정은 고온의 열에너지 혹은 높은 에너지로 가속화된 전자 빔으로 타겟소스를 증발시켜 박막을 형성하기 때문에 증착하고자 하는 박막의 스펙트럼이 넓다는 장점이 있습니다. 특히, 화학적 반응을 수반하는 CVD로 증착하기 어려운 금속물질을 증착할 수 있습니다. 또한 증발시킨 기체상태의 입자를 활용하기 때문에 타겟소스와 바이어스 조절을 통해 포화증기압을 높임으로써 증착속도를 높일 수 있는 장점이 있습니다.
[꼬리 1-5]. Evaporation 공정의 단점에 대해서 설명해보세요..
Evaporation 공정에는 2가지의 크리티컬한 단점이 존재합니다. 에너지를 가해 증발시킨 타겟 원자들이 오로지 초기 에너지를 가지고 증착되기 때문에 기판 표면에서 응축되어 박막을 형성한다고 하더라도 추가적인 에너지가 부족하기 때문에 표면에서 기판과의 접착도가 떨어지는 이슈가 존재합니다. 다음으로는 타겟 소스가 직진성을 가지고 증착되는 특성으로 인해 특정 단차를 가지는 profile 증착시 step covrage가 매우 불량하다는 단점이 존재합니다. 이를 위해서 기판을 회전시키거나 반응소스의 위치를 조절하는 조치를 취함에도 CVD에 비해 PVD가 가지는 치명적인 단점이라고 할 수 있습니다.
[꼬리 1-6]. Evaporation 공정은 보통 어디에서 사용되나요.
Evaporation 공정은 금속, 유기박막 등 다양한 박막을 형성할 수 있는 장점을 가지고 있습니다. 특히, Au, Al, Ti, Cr 등 다양한 소스를 사용하여 반도체 혹은 산화물 박막을 오염없이 기판 위에 증착할 수 있기 때문에 그 응용처가 매우 넓습니다. 특히 제가 연구했던 페로브스카이트 나노입자의 관점에서 보았을 때, evaporation 공정을 통해 전자수송층 그리고 홀 수송층을 증착했고 이는 Light Emitting didoe, LED 광전소자를 제작할 때, 반드시 필요한 설비이며 공정단계였습니다. 그 외에도 현재 OLED 시장의 비중이 넓어지면서 디스플레이 산업에서 역시 transport layer 형성에 중점적으로 사용되는 것으로 알고 있습니다.
여러분들 오늘은 PVD에 대해서 알아보았고, 그 중 Evaporation 공정에 대해서 알아보았습니다. Sputter는 plasma부터 좀 다루어야 할 게 많기 때문에 다음 장부터 심도있게 다루어보도록 하겠습니다.
오늘 정말 기분이 좋은 날이네요ㅎ.
오늘 하루도 모두 고생 많으셨습니다.
충성! from 교관 홍딴딴.
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