PVD는 CVD와 달리 화학적 반응을 수반하지 않기 때문에, 정말 물리적인 내용으로 접근할 수 있어서 마음이 편하네요. 재료 쪽으로 연구를 해도 멀게만 느껴지는 화학..
[질문 1]. DC Sputter에 박막 증착 메커니즘에 대해서 설명해주세요.
Sputter는 Physical Vapor Deposition의 대표적인 증착 방법으로, 스퍼터링을 통해 박막을 증착합니다. DC Sputter는 양단의 전극에 DC bias를 인가하여 플라즈마를 형성합니다. 플라즈마는 glow discharge에 의해 형성됩니다. 양극에 DC bias를 인가하면, cathode의 전자가 방출되면서 가속된 전자는 기체원자와 충돌하여 기체원자를 이온화시킵니다. 이온화된 양이온은 cathode로 이동하여, 음극과 충돌을 통해 다량의 2차전자가 발생합니다. 2차전자는 전계에 의해 가속되어 다량의 기체원자와 충돌하고 이러한 현상이 연쇄적으로 일어나면서 빛을 발하는 글로우 방전을 일으킵니다. 이때, 증착하고자 하는 타겟소스를 음극에 위치시키고 가속된 양이온이 타겟을 스퍼터링합니다. 이때 스퍼터링돼 튀어 나오는 타겟원자들이 충돌에 의한 운동에너지를 가지고 기판 표면에 박막을 형성하게 됩니다.
[꼬리 1-1]. 플라즈마에 대해서 간단하게 설명하세요. [복습]
플라즈마는 neutral, ion, electron으로 이루어진 기체입니다. neutral이 대부분을 차지하며 플라즈마 내부는 고에너지의 양이온과 전자로 이루어져 있고, 전체적으로는 중성(준중성, quasi-neutral)을 띠는 기체 상태를 말합니다. 플라즈마는 DC나 RF에 의해 방전을 일으키는 글로우방전 과정 중에 만들어지는 기체 상태입니다. 전자와 이온의 전기적 전자기적 특성에 의해 집단적 거동 (collective motion)을 보이는 특징을 가지고 있으며, 외부에 간섭에 대해 플라즈마를 고립시키는 특성 (sheath)이 있습니다.
[꼬리 1-2]. DC Plasma의 sheath 영역에 대해서 설명해보세요.
sheath 영역은 전자와 양이온의 질량에 따른 mobility 차이에 의해 양이온의 전하가 축적되는 공간전하(Space charge) 영역이 생기고 그로 인해, cathode 부근에 전압강하가 생기게 되면서 생기는 어두운 영역입니다. sheath 영역 내의 전압 강하로 양이온이 sheath 영역 내에 진입하게 되면 직진성을 가지고 강하게 가속되면서 target을 sputtering하게 됩니다.
[꼬리 1-3]. sheath 영역이 생기는 이유를 물리적으로 설명해보세요.
물리적으로 운동에너지 E는 질량 m과 속도 v의 제곱의 곱으로 표현됩니다. (E=1/2mv^2). 이때 전자와 양이온 모두 동일한 운동에너지를 가진다고 했을 때, 양이온의 질량은 전자보다 큽니다. 그에 따라 속도는 전자가 양이온보다 훨씬 빠르게 됩니다. 순간적으로 DC 바이어스가 인가되면 전자는 빠른 속도로 anode로 빠져나가고, 양이온은 속도가 느려 cathode 쪽으로 천천히 이동하며 cathode 부근에 양이온이 모이게 됩니다. cathode 영역에는 전자가 음극과의 반발력으로 빠르게 anode로 튀어나가기 때문에 전자가 존재하지 않습니다. 그 결과 음극 쪽에서 급격한 potential drop이 발생하면서 양이온이 cathode 쪽으로 가속됩니다. 그래서 sputtering 증착을 위해서는 source target을 음극에 로딩하고, 양이온이 타겟과 충돌하면서 sputtering이 발생합니다.
[세부설명] Cathode sheath formation
글로우 방전에서 cathode 쪽에 potential drop으로 sheath 영역이 생깁니다. 이는 양단의 전극에 바이어스를 인가한 경우, 전기장이 형성되고 방전에 의해 기체가 이온화 되어 플라즈마를 형성합니다. 이때 전자는 질량이 작기 때문에 빠른 속도로 anode로 이동하게 되고 크고 무거운 양이온은 cathode로 천천히 이동하게 됩니다. 전자는 cathode와의 반발력으로 cathode 주변에 존재하지 못하고 빠르게 양극쪽으로 이동하는 반면 양이온은 천천히 cathode 주변으로 이동하면서 축적됩니다. 따라서, cathode 앞에는 양이온의 밀도가 높은 영역이 형성됩니다. 모여든 양이온에 의해 전하가 축적되면서 공간전하를 만들게 됩니다.
본래는 양단에 바이어스를 인가했을 때, 양극 사이에는 일정한 기울기의 전위차가 존재해야 합니다. 하지만 cathode 앞에 모여든 양이온에 의해 생긴 공간전하로 인해 음극과 공간전하 사이에서 급격한 전압 강하가 발생합니다. 이를 음극전압강하라고 표현합니다.
cathode 주변에 축적된 양이온으로 인해 발생하는 음극전압강하 현상으로 인해 급격한 전위차가 발생되고 이 영역에서 양이온은 cathode 방향으로 쉽게 가속되게 됩니다. 이전 '파센 법칙' 교육에서 방전에 필요한 최소의 전압 크기인 방전개시전압에 대해서 배우셨을 것입니다. 방전개시전압은 위와 같이 공간전하(space charge)로 인해 음극전압강하가 시작되는 cathode sheath 영역에 걸리는 전압입니다. cathode에 충돌하는 양이온이 가지는 에너지는 sheath 영역에서 음극전압강하에 의해 가속되는 에너지의 값을 가지게 됩니다.
음극전압강하가 시작되는 곳에서 cathode까지의 potential drop이 나타나는 영역을 sheath 영역이라 표현하며, 이 때 sheath 영역 내의 전위차를 sheath 전압 혹은 sheath 전위라고 표현합니다.
[꼬리 1-4]. Plasma potential 과 floating potential에 대해서 설명해보세요.
플라즈마가 가지는 전위를 plasma potential, 기판이나 전극이 가지는 floating potential이라고 표현합니다. plasma potential은 항상 floating potential 보다 항상 높은 전위 값을 가집니다. 그 이유는 '상대적으로 가벼운 전자는 크고 무거운 양이온보다 속도가 빠르기 때문에, 양이온보다 많은 전자가 빠르게 기판이나 전극으로 유입됩니다. 그래서 기판이나 전극은 플라즈마 대비 (-)전위를 갖게 되고, 반대로 플라즈마는 높은 전위값을 가지게 됩니다.
[꼬리 1-5]. 플라즈마는 중성이라고 하지 않았나요. 높은 전위를 가진다는 것은 전계가 형성되었다는 것인데, 그러면 전극이나 기판 부근에서 전위차를 가지는 것은 어떻게 설명하실건가요.
맞습니다. DC Plasma를 설명할 때는 sheath 영역의 sheath potential, plasma potential (Vp), floating potential (Vf)을 많이 활용합니다. 플라즈마 내부는 준중성 영역으로 일정한 plasma potential 값을 가집니다. 하지만 기판이나 전극에서는 potential drop이 발생하고 sheath 영역이 생깁니다. cathode 쪽의 sheath 영역을 예로 들면 이미, cathode 부근에는 전자가 반발력으로 anode로 빠르게 튀어나갔기 때문에, 전자의 수가 적어 이미 전기적 중성이 깨져버린 상태로 플라즈마 상태가 아닙니다. 그래서 이온화가 일어나지 않아 빛을 방출하지 않기 때문에 sheath 영역은 어두운 영역이 자리잡게 되는 것입니다.
[세부설명] Plasma potential & Floating potential & Sheath potential
위 그림은 양 전극 사이에 형성된 플라즈마에 따른 potential 분포를 나타낸 그림입니다. [꼬리1-5]를 보면 sheath 영역은 이미 전기적 중성이 깨져버린 곳이기 때문에 플라즈마 상태가 아닙니다. 이온화가 일어나지 않아 빛을 발하지 않기 때문에 sheath 영역은 모두 어두운 영역입니다.
음극 쪽은 전자가 차고 넘치는 electron source이기 때문에 potential이 가장 낮습니다. 그래서 플라즈마 내의 양이온이 cathode 쪽으로 이동하면서 전하 축적으로 인해 공간전하가 생성되고 sheath 영역 이전까지는 넓은 분포로 균일한 플라즈마가 존재하게 되면서 동일한 plasma potential, Vp 값을 가지게 됩니다. 그러다가 cathode 쪽에 가까워질수록 급격한 기울기로 potential drop이 발생하게 됩니다. 이 때, 공간전하 영역에서의 potential과 cathode의 floating potential 차이가 바로 sheath voltage, 쉬스전압이라 표현합니다. 이때 쉬스전압의 크기만큼 양이온이 cathode로 가속되어 source target을 sputtering하거나, 2차 전자를 발생시켜 플라즈마를 지속적으로 유지하게 되는 것입니다.
위 그림의 potential 분포를 보면 anode 방향에도 약간의 potential drop이 발생한 것을 확인할 수 있습니다. 양이온은 cathode 쪽으로 전자는 anode 쪽으로 이동합니다. 특히 전자는 anode로 빠르게 도달할 수 있기 때문에 많은 전자들이 anode 쪽으로 이동하게 되면서 양극전압강하 현상이 일어나게 됩니다. 이때 중요한 점은 양극의 면적에 따라 단위면적당 들어오는 전자의 양이 다르기 때문에 potential drop의 크기가 달라집니다. 그리고 양극의 전기적 중성이 깨지게 되면서 anode sheath 영역이 생기게 되고 약간의 전위차로 양이온이 anode로 들어오는 것이 가능해집니다.
플라즈마가 균일하게 분포할 경우, plasma potential, Vp의 일정한 전위 값을 가질 것입니다. 하지만 균일하게 분포한 플라즈마 내에 기판이 놓이게 되면 위와 같이 기판을 중심으로 potential drop이 생기면서 sheath 영역이 생기게 될 것입니다. 플라즈마 내의 전자와 이온이 기판과 충돌하여 들어오게 됩니다. 특히 가볍고 빠른 전자는 크고 무거운 양이온과 비교했을 때, 기판으로 들어오는 단위 시간당 이온보다 전자가 더욱 많이 들어오게 되면서 기판의 전위는 음의 값을 가지게 됩니다.
"기판 쪽의 potential drop은 어느 수준까지 이루어질까." 시간이 지나 수많은 전자들이 기판에 들어와 어느 정도 쌓이게 되면 전자에 의해 기판은 음의 값으로 대전되고 어느 순간 전자는 전기적 반발력이 작용하면서 전자의 접근을 방해합니다. 그리고 음의 값으로 대전된 기판으로 양이온이 도달하면서 기판 표면의 전자와 만나 음의 전위를 중성화시킵니다. 하지만 기판에 쌓인 전자의 수가 너무 많으므로 기판 전체를 중성화 시키지 못하게 되고 초기의 많은 전자의 유입은 점점 적이지고, 초기 유입이 적었던 양이온의 유입은 많아지면서 어느 순간에 유입되는 전자와 양이온의 수가 같아지는 평형상태에 도달합니다. 평형상태에 도달하면 전류가 0이 되면서 전위는 더이상 내려가지 않고 일정한 수준의 값으로 유지됩니다. 이때의 기판의 전위를 Floating potential, Vf라고 표현합니다.
Plasma potential은 항상 floating potential 보다 높은 값을 갖습니다. 이는 앞서 설명한 가볍고 빠른 전자가 기판 혹은 전극에 유입되고 쌓이면서 음의 전위를 만든 후에 평형상태에 도달하기 때문입니다. Floating potential은 RF Plasma의 자기바이어스 효과, Self bias effect에서 매우 중요하게 적용되는 내용이니 꼭 숙지하시길 바랍니다.
이번 교육에서는 DC Plasma의 sheath 영역이 생성되는 원리와 sputtering 증착과 직접 연관있는 Sheath potential, Plasma potential, Floating potential에 대해서 알아보았습니다. 다음 교육에서는 RF Plasma와 자기바이어스효과, 그리고 플라즈마의 집단적 거동 (Collective motion)의 특징을 물리적으로 설명하는 시간을 갖도록 하겠습니다. 오늘 하루도 고생 많으셨습니다. 충성! from 교관 홍딴딴
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