오늘 RF Plasma 마지막 교육을 시작하겠습니다. DC Plasma와 달리 RF Plasma는 전극면적이 매우 중요하다고 했습니다. 오늘 마무리 교육에서 심도있게 다루어보도록 하겠습니다.
[질문 1]. Sputtering 공정에서 sheath의 역할이 중요한 이유에 대해서 설명하세요. [복습]
Sheath 영역은 전자와 이온의 속도차이로 인해 음극 부근에 양이온이 축적되면서 공간전하가 형성되고 그로 인해 potential drop이 발생하면서 sheath 영역이 형성됩니다. sheath 영역의 전위차로 인해 이온이 가속되고 음극과 충돌하면서 2차전자를 발생시켜 방전을 지속시킬 수 있습니다. 또한 이온은 음극에 로딩된 source target을 sputtering 하면서 양극에 위치한 기판에 박막을 형성합니다. 즉, sheath는 방전을 지속시켜 플라즈마를 유지시키고, sputtering을 통해 박막을 형성하는데 핵심 역할으로 작용합니다.
[꼬리 1-1]. cathode 면적보다 anode 면적이 작으면 어떻게 되는지 설명하세요.
일반적으로 sputtering system은 기판이 로딩되는 anode 부분은 ground에 물려있기 때문에 anode 전극 면적이 cathode 보다 큰 경우는 없습니다. 그렇기 때문에 plasma potential이 항상 cathode, anode 보다 높은 potential 값을 가지게 되는 것입니다. 하지만 anode의 면적이 더 작게 되면, cathode에서 발생한 전자에 의해 생성되는 전류가 양극으로 유입되어야 하는데, anode 면적이 작아지면서 단위시간당 유입되는 전자의 양이 줄어들게 됩니다. 그래서 더 많은 전자가 유입되어야 하기 때문에 anode 쪽에 potential이 증가하면서 plasma potential 보다 높은 floating potential 값을 가지게 됩니다.
[꼬리 1-2]. RF 플라즈마에서 cathode와 anode의 면적이 동일하면 어떻게 되는지 설명하세요.
현실적으로는 가능하지 않지만 동일한 면적의 타겟 전극과 기판전극이 마주보며 놓여져있다고 가정했을 때, 기판 전극은 접지되어 '0'의 전위가 유지되고 교류전압에 의해 source target 전극의 극성만 (+), (-)로 바뀌게 됩니다. 전체 Potential의 평균 분포를 보면 cathode와 anode의 sheath가 좌우대칭으로 같은 sheath 전압을 가지게 됩니다. 그 결과, 음극과 양극의 구분이 없어지며, 음극과 양극의 같은 sheath volatge에 의해 source target과 기판 모두 sputtering이 일어나는 현상이 발생합니다.
[꼬리 1-3]. Cathode 면적이 anode 보다 작으면 해결할 수 있나요.
그렇습니다. cathode 면적 크기가 anode보다 작을 경우, self bias effect가 발생합니다. 전극 면적이 같을 때 평균 potential 분포는 좌우대칭으로 cathode와 anode 모두 같은 크기의 sheath 전압을 갖는다고 말씀드렸습니다. self bias effect는 전자와 양이온의 속도차이로 인해, 평균 sheath potential이 음의 준위로 내려가는 현상입니다. 이때, 기판전극은 Ground로 '0'의 값으로 고정되기 때문에, source target 전극의 sheath 영역 potential만 음의 준위로 내려가게 되면서 마치 DC plasma에 의해 형성된 sheath와 같은 양상의 potential 분포가 형성됩니다.
정리하자면, 기판 전극은 항상 Ground 상태이어야 하며, RF Plasma에서 sheath 전압으로 source target을 sputtering 하기 위해서는 source target 전극을 기판 전극 면적보다 작게함으로써 self bias effect 현상을 유도해야 합니다.
① Cathode sheatn vs. Anode sheath
cathode 뿐만 아니라, anode에도 sheath가 발생합니다. anode sheath는 cathode sheath보다 작은 크기의 전위차를 갖습니다. 이는 이전 교육에서 floating potential을 설명하면서 알아보았습니다. 그로 인해 plasma potential은 항상 cathode와 anode보다 높은 전위의 값을 가집니다. 플라즈마는 전기적 특성을 가지는 도체이며, 음극에서 양윽그올 전자의 흐름이 발생하므로 음극에서 나온 전자전류 만큼 양극으로 전자 전류가 들어가야 합니다. (평형상태에 도달하여, 전자의 유입양이 조절됨)
cathode의 면적이 작을 경우, 양극에서 필요한 전자보다 더 많은 전자를 받아들일 수 있게 됩니다. 그래서 전자의 유입을 줄일 필요가 있기 때문에 anode 쪽의 potential 낮아지면서 양극으로 유입되는 전자의 양이 줄어듭니다. 이것은 중요한 의미를 갖습니다. 음극으로 전자가 유입될 수는 없지만 양극으로는 양이온이 유입될 수 있음을 의미합니다. 기판 쪽 양극은 plasma potential 보다 낮은 floating potential을 갖기 때문에 sheath 전위차가 생기면서 양이온이 anode로 유입될 수 있습니다. 따라서 양극은 전자와 양이온 모두 유입 가능하여 평형상태에 도달할 때까지 anode의 potential이 낮아지게 됩니다.
그런데 앞선 교육에서 plasma potential은 항상 cathode와 anode의 floating potential 보다 큰 값을 가진다고 말씀드렸습니다. 하지만 anode의 전극 면적이 cathode 보다 작을 경우 anode floating potential이 plasma potential보다 큰 값을 가지게 됩니다. 그 이유는 anode의 면적이 작아지면서 cathode에서 발생한 전자전류 만큼 양극으로 유입되어야 하는데 양극의 면적이 작아지게 되면 단위시간당 전자 유입량이 작아지게 됩니다. 그렇기 때문에 전자전류가 부족해지면서 더 많은 전자를 받아들여야 합니다. 그래서 plasma potential 보다 anode의 potential이 높아지면서 더 많은 전자를 끌어올 수 있게 됩니다.
② RF sheath vs. DC sheath
Sheath voltage 혹은 sheatho potential은 plasma potential과 전극 floating potential 사이에서 생성되는 전위차입니다. 아래와 같이 DC 직류전압을 양 전극에 인가함으로써 Sheath가 형성되 DC 방전을 유도합니다. ① 그림은 source target이 로딩된 전극에 (-) 전위를 인가했을 때, 생성된 potential 분포를 보여주고, ② 그림은 source target 전극에 (+) 전위가 인가됐을 때 생성된 potential 분포입니다.
그림과 같이 전극 사이의 potential 분포는 cathode sheath, plasma potential, anode sheath로 구분됩니다. 이중 플라즈마 방전을 유지시키고, sputtering에 중요한 영역은 바로 cathode sheath입니다. sheath 영역 내의 전위차는 플라즈마 내의 양이온이 전위차에 의해 음극으로 가속할 수 있습니다. 하지만 RF sheath에서는 DC sheath 추가적인 변수가 존재합니다.
RF 교류 전압을 인가하면 음극과 양극에 순차적으로 전압의 방향이 바뀌게 됩니다. 위 그림과 같이 방향만 다를 뿐 교류방전을 일어나며 sheath 영역과 플라즈마 영역은 지속적으로 형성됩니다. 하지만 위 그림처럼 '방향'만 바뀌었을 뿐 하나씩 따로 보면, DC plasma에 의한 sheath인지 RF plasma에 의한 sheath 인지 구분할 수 없습니다.
여기서 중요한 점은 '기판은 접지'가 되어 있다는 것입니다. 기판의 전위는 항상 '0'입니다. RF 교류전압으로 음극과 양극이 바뀐다고 해서 접지된 기판까지 (+)와 (-)로 바뀌는 것은 아닙니다. 전압이 교류로 바뀌는 것은 Source target 전극에서만 발생하는 것입니다. 그렇기 때문에 RF 교류전압에 의해 실제 음극, 양극 역할을 하는 source target 전극과 달리 항상 전위가 '0'으로 유지됩니다. ①, ② 그림처럼 RF sheath는 전위 0을 기준으로 빠르게 위아래, 좌우로 바뀌게 됩니다. 그래서 측정시에는 ③ 그림과 같이 음극/양극 Sheath의 평균의 RF Sheath를 갖게 됩니다. 하지만 여기서 한 가지 문제가 발생합니다. ③번 그림을 보시면 음극, 양극 sheath의 평균 RF Sheath를 보면 좌우 대칭의 potential 분포를 갖게 됩니다. 그로 인해 sheath 영역 내의 sheath voltage가 같은 크기를 갖기 때문에 어느쪽이 cathode인지, anode인지 구분할 수 없는 상황이 발생합니다.
Source target을 sputtering 하기 위해서는 source target 전극 부근의 sheath voltage가 상대적으로 더 커야하는데, 기판 전극과 동일한 sheath 전압을 가지게 되면서 양쪽에서 모두 sputtering이 되는 문제가 발생합니다. 하지만 현실적으로 이러한 현상은 나타나지 않습니다. 이러한 현상은 source target 전극과 substrate 전극이 '동일한 면적'을 가지고 마주본다고 가정했을 때 나타나는 현상입니다. 현실에서는 대부분 RF가 가해지는 Source target 전극이 접지되어 있는 기판전극에 비해 상대적으로 훨씬 작기 때문에 이러한 현상을 나타나지 않습니다.
그 결과, source target 전극의 작은 면적으로 self bias effect가 나타나고, 전체 평균전위는 음의 전위로 내려가게 됩니다. 기판 전극은 접지 상태로 '0'으로 고정되어 있고 source target 쪽 sheath 영역의 potential만 내려가기 때문에 RF Plasma 에서도 DC Plasma와 같은 형태의 sheath 특성을 가지게 되면서 sputtering이 가능해지게 됩니다.
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