지난 교육에서는 DC Plasma에 대해서 알아보았습니다. 이번 장에서는 RF Plasma에 대해서 심도있게 다루어보도록 하겠습니다. 출발!
[질문 1]. RF Sputter 공정에 대해서 설명하세요.
DC 직류 전압을 사용하는 DC Plasma와 달리 RF Plasma는 고주파의 교류전압을 사용하여 글로우방전을 일으킵니다. RF 고주파수 교류전압을 사용하는 이유는 DC Plasma에서 세라믹이나 비금속 등의 부도체 전극을 사용할 경우 플라즈마를 지속적으로 형성하고 유지할 수 없는 이슈가 발생했기 때문입니다. RF Plasma는 전극의 종류에 상관없이 방전을 일으킬 수 있습니다. 이는 전극의 극성을 빠르게 바꿔줌으로써 전극표면에 양이온이 축적되는 것을 방지할 수 있기 때문에 방전을 지속시킬 수 있게 됩니다.
[꼬리 1-1]. 가볍게 물어볼게요. RF Plasma 방전에 사용되는 주파수는 어느 정도 크기여야 하죠.
보통 반도체 산업에서 교류 방전에 가장 많이 사용하는 주파수는 일반적으로 13.56MHz 입니다. 통신용 주파수와 혼용될 수 있기 때문에 산업용으로 허가된 주파수입니다. 가전에서 보통 60Hz 교류전압을 사용하고 있지만, 60Hz의 교류로는 글로우 방전을 일으킬 수 없습니다. 초당 60Hz 또한 인간이 느끼지 못하는 수준의 빠른 속도이지만 전자와 이온의 관점에서 봤을 때 상당히 느린 속도입니다. 60Hz 교류전압을 사용할 경우, DC Plasma처럼 cathode에 양이온이 축적이 되고도 남을 시간이기에 방전을 유지할 수 없게 됩니다. 따라서 교류주파수 영역이 높은 주파수의 Radio frequency 영역이기에 RF 글로우방전이라고 부릅니다.
[꼬리 1-2]. 자기바이어스 효과, Self bias effect에 대해서 설명하세요.
RF Plasma에서는 자기바이어스 효과가 나타납니다. 자기바이어스 효과는 전극의 극성이 바뀜에 따라 단위면적당 전극으로 유입되는 양이온의 수와 전자의 수가 다르기 때문에 나타나는 것입니다. 전극이 음의 전위를 가질 때, 전극으로 유입되는 양이온의 수보다, 양의 전위를 가질 때, 작고 가벼운 전자가 더 빠른 속도로 많은 양의 전자가 전극으로 유입되기 때문에 전체 평균 준위가 음의 전위를 가지는 자기바이어스 효과가 나타납니다. 그래서 교류전압을 인감함에도 자기바이어스 효과에 의해 DC Plasma에서 cathode에 sheath 영역이 생기는 것과 같은 효과가 RF Plasma에서 일어난다고 할 수 있습니다.
[꼬리 1-3]. 자기바이어스 효과에 영향을 미치는 변수에 대해서 설명하세요.
sputtering은 DC plasma와 RF plasma 모두 음극에서 발생합니다. 자기바이어스 효과는 RF Plasma에서 전체 평균 전위를 음의 값으로 낮추기 때문에 전극으로 양이온을 가속시키면서 방전을 일으킵니다. 자기바이어스 효과는 RF 주파수가 낮을수록, 전압이 클수록, 그리고 작업압력이 낮을수록 Self bias effect의 크기는 증가합니다. 주파수가 낮을수록, 전압이 클수록 전극으로 유입되는 전자의 수가 훨씬 많기 때문에 전체 전위가 음의 값으로 이동하는 변화폭이 커집니다.
[세부설명] 자기바이어스 효과, Self bias effect 교류 펄스 인가 시, 자기바이어스효과
교류방전을 위해서는 교류 사인파, 펄스파를 인가합니다. 방전을 위해서 교류 사각 Pulse파를 인가할 경우 위와 같은 형태의 파형이 형성됩니다. 사각 펄스파를 인가했지만, 실제로는 사각 펄스가 아닌 다른 파형이 형성됩니다. 자기바이어스 효과를 위해서 전위를 기준으로 설명드리겠습니다.
우선 최초 0의 전위에서 낮은 음의 전압이 인가되면서 ①의 전위값을 가집니다. 플라즈마 없이 기존의 양 전극에 교류파를 인가할 경우, 일정한 전압 값을 가지며 전극의 전위도 일정 시간 동안 균일한 값을 유지합니다. 하지만 RF plasma 방전의 경우, ① 전위에서 ② 전위로 상승하게 됩니다. 그리고 교류파의 극성이 바뀌면서 ③ 전위 값을 가지고 일정 값의 전위를 유지하는 것이 아니라, ④ 전위로 감소하게 됩니다. 이러한 현상은 DC Plasma에서 floating potential을 형성했던 것과 마찬가지로 전자와 양이온의 속도차이에 의해서 발생하는 현상입니다.
Region 1. [① → ② 전위] 전자와 양이온 거동의 관점으로 다시 들여다 보겠습니다. 최초 음의 전압이 인가되면서 전극은 ①의 음의 전위값을 가집니다. 이때의 전극은 음극으로 양이온이 전극으로 전기적 힘에 의해 이동합니다. 그래서 양이온이 음의 전극으로 들어온 양이온의 양 만큼 음의 전위가 상쇄되면서 potential이 상승하게 됩니다. 이때 전위가 기울기가 서서히 감소하는 곡선의 형태로 상승하는 형태를 볼 수 있습니다. 그 이유는, 양이온이 들어올수록 음의전위가 상쇄되면서 양이온을 당기는 전기적 영향이 감소하기 때문입니다. 그로 인해 음극 쪽으로 단위시간당 유입되는 양이온의 수가 적어지기 때문에 potential이 상승되는 크기가 작아집니다.
Region 2. [ ② → ③ 전위] 전위가 일정 시간동안 양이온이 음극으로 유입되면서 전위가 일정수준 상승하고, 교류파의 극성이 바뀌게 되면서 ③의 전위를 갖습니다. 양이온이 유입됐던 전극은 음의 전위에서 양의 전위값을 가지게 됩니다.
Region 3. [ ③ → ④ 전위] 양의 전압에 의해 전극은 양의 전위를 가지게 되고 유입됐던 양이온을 밀어내고, 양이온이 아닌 전자가 전극으로 전기적 힘에 의해 유입됩니다. 우리는 작고 가벼운 전자가 크고 무거운 양이온보다 빠른 속도를 가지는 것을 이미 알고 있습니다. 그래서 양의 전위를 갖는 전극에 전자가 빠른 속도로 유입되고, 전극의 전위는 유입된 전자에 의해 Potential drop이 발생합니다. 이때, 음의 전위의 양이온 유입과 마찬가지로, 유입된 전자에 의해 potential이 낮아지면서 유입되는 전자의 양이 점차 줄어들면서 기울기가 감소하는 곡선 형태로 전위가 감소하게 됩니다.
여기서 중요한 점은 "전자의 속도가 양이온의 속도보다 훨씬 빠르다는 것"입니다. 전극이 음의 전위를 가질 때, 단위 시간당 전극으로 유입되는 양이온의 수보다, 양의 전위 일 때 단위 시간당 전극으로 유입되는 전자의 수가 훨씬 더 큽니다. 그래서 동일한 주기를 갖는 펄스파가 인가됐을 때, 동일한 시간 내에 유입되는 전자의 수가 훨씬 많기 때문에 같은 시간 간격임에도 양이온의 유입으로 인한 전위 상승 '① → ②'의 증가폭보다 전자의 유입으로 인한 전위 감소 '③ → ④'가 더 큰 감소폭을 가지게 됩니다. 위 그림에서 θ1 보다 θ2가 더 큰 이유입니다.
이렇게 교류펄스파가 인가되면서 음의 전위와 양의 전위로 극성이 바뀌면서 전자와 양이온의 속도 차이로, 양이온의 유입으로 인한 전위 증가폭보다 전자의 유입으로 인한 전위 감소폭이 더 크고, 주기가 반복될수록 전체적인 전위의 값은 음의 전위 쪽으로 낮아지게 됩니다. 이것이 바로 "자기바이어스 효과"입니다.
Region 4. [⑤ → ⑥ 전위] 위 상황이 주기를 갖는 교류펄스파에서 지속적으로 반복됨에 따라 전극은 점점 음의 전위값을 가지고, 어느 시점 이후에는 더 이상 낮아지지 않고 일정한 값을 가지게 됩니다. 전체 전위가 음의 값으로 낮아지기 때문에 음극일 때에 초기 ①의 전위값을 가질 때보다 단위시간당 유입되는 양이온의 증가하게 되고, 양극일 때는 전체 전위가 낮아졌기 때문에 ③의 전위 값일 때보다, 단위시간당 유입되는 전자의 수가 적어지게 됩니다. 그리고 어느 순간에 단위 시간당 전극에 유입되는 양이온의 수와 전자의 같아지는 순간이 옵니다. 이 때는 전자와 양이온의 유입되는 양이 동일하기 때문에, 순전류가 '0'의 값을 가지고 더 이상 전체 전위는 낮아지지 않고 평형을 유지하며 이 상태를 유지하게 됩니다.
이러한 과정으로 인해 양극의 극성이 바뀌는 교류전압을 인가함에도 불구하고 자기바이어스효과가 나타나면서 부도체 전극을 마치 DC plasma의 cathode 처럼 음의 전극으로 유지하여, 방전플라즈마를 지속할 수 있게 되는 것입니다. 따라서 교류전압을 인가했을 때, 자기바이어스 효과에 의해 낮아진 전체 준위로 인해 교류전압에도 음극을 형성할 수 있으며, 이때 음의 값으로 낮아진 전위차만큼 양이온이 가속되면서 2차전자를 발생시키고 플라즈마를 형성하기 위한 글로우방전을 일으킬 수 있는 것입니다.
오늘은 RF Plasma의 자기바이어스 효과에 대해서 알아보았습니다. DC Plasma는 부도체 source target을 스퍼터링 할 수 없다는 이슈가 존재합니다. 이를 개선하기 위한 솔루션으로 RF Plasma가 도입되었고 RF 교류전압 인가로, 플라즈마를 형성하고 유지하며, source target을 sputtering 할 수 있는 이유는 바로 자기바이어스 효과 때문입니다.
다음 시간에는 자기바이어스 효과와 전극 면적 사이의 관계에 대해서 알아보겠습니다. 오늘 하루도 고생 많으셨습니다. 화이팅! 충성! from. 교관 홍딴딴
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