DC Sputter는 세라믹이나 비금속과 같은 부도체 소스타켓을 사용할 수 없다고 말씀드렸습니다. 하지만 Reactive sputtering을 이용하면 DC Plasma를 활용해서 부도체 박막을 형성할 수 있는 방법이 있습니다.
[질문 1]. DC Plasma에서 부도체 전극을 사용할 수 없는 이유에 대해서 설명하세요. [복습]
DC Plasma에서 부도체 전극을 사용할 경우, 초기에는 방전이 일어납니다. 하지만 음극의 전자들이 표면에 쌓인 양이온을 중성화 시키지 못하기 때문에 점점 양이온이 음극 표면에 축적됩니다. 그로 인해, 음극 부근의 sheath potential은 축적된 양이온의 전하로 증가하게 되고 전위차가 작아지면서 양이온이 충분한 에너지를 가지고 음극에 충돌할 수 없기 때문에 2차전자가 발생하지 않아 방전을 지속할 수가 없게 됩니다.
[질문 2]. Reactive Sputtering에 대해서 설명하세요.
산화물 같은 화합물을 형성할 때, 주로 사용하는 방법입니다. Reactive sputtering은 증착하고자 하는 화합물을 구성하는 타겟원자를 스퍼터 건에 장착하고, 고에너지의 플라즈마를 형성시킨 후 반응성 가스를 주입함으로써 화합물 박막을 형성할 수 있습니다. Reactive sputtering은 Al2O3, TiO2, ZrO2, HfO2, TiN, TiC 같이 산화막 뿐아니라 질화막 등 다양한 화합물의 박막을 형성할 수 있다는 장점을 가지고 있습니다.
[꼬리 2-1]. Reactive Sputtering의 공정 변수에 대해서 설명하세요.
Reactive sputtering은 기존 DC 혹은 RF Sputter 설비에 반응성 가스인 산소나 질소 혹은 탄화수소 가스가 추가된 구조를 가집니다. Reactive sputtering은 source target은 물리적 충돌인 Sputtering으로 기판 위에 증착시키고 그 과정에서 반응성 가스를 주입하여 화학반응을 유도합니다. 그렇기 때문에 정확한 화학양론비를 가진 박막형성을 위해서 가스분압을 정밀하게 제어하는 것이 중요한 공정변수라고 생각합니다. 그 외에도, 플라즈마를 형성하고 유지하기 위해서 DC 혹은 RF 파워와 챔버 내부 압력, 그리고 기판 온도를 예로 들 수 있습니다.
[꼬리 2-2]. 가스 분압은 어떻게 제어하는지 설명해보세요.
가스 분압은 보통 Mass Flow Controller, MFC를 이용해 제어합니다. MFC는 가스의 질량을 기준으로 유량을 계산하여 제어하는 모듈로 가스의 원소마다 고유질량이 다르므로 MFC는 셋업된 질량수치를 기반으로 가스의 유량을 결정합니다. 특히 Reactive sputtering의 경우, 정밀한 가스 제어가 중요하기 때문에 0.1sccm 이하의 양도 제어 가능한 MFC 장치들이 있습니다. 그리고 가스의 양은 가스 분압으로 표현할 수 있습니다. 가스 분압은 챔버 내부에 주입된 전체가스의 양과 반응성가스의 양의 비율이 곧 반응성 가스의 분압이 됩니다. 플라즈마를 형성하기 위해 주입한 Ar 가스와 반응성가스의 분압을 조절함으로써 정확한 화학양론비를 가지는 박막 조건을 최적화 할 수 있습니다.
[세부설명] 반응성 스퍼터링 (Reactive Sputtering)
금속이나 전도체가 아닌 세라믹이나 비금속 같은 부도체를 source target으로 사용하기 위해서는 DC 직류전압이 아닌 고주파 RF 교류전압을 사용해야 한다고 배웠습니다. Sputtering system을 설계할 때, RF는 도체와 부도체 모두 Sputtering을 통해 박막을 형성할 수 있기 때문에 DC보다는 RF가 더 긍정적이라고 생각할 수 있습니다.
만일 기존의 DC Power가 장착된 sputtering system을 보유하고 있고, 연구를 진행하기 위해서 산화막이 요구되는 상황이라고 가정해봅니다. 여러분들은 딴딴's 반도체사관학교의 일원이기 때문에 금방 '교관 홍딴딴이가 DC Sputter는 산화막같은 부도체는 DC Plasma로 증착이 안된다고 했어'. 그래서 여러분들은 DC Sputter가 부도체 소스 타겟을 사용할 경우 플라즈마가 형성이 안 된다는 이유를 머리속에 상기하면서 지도 교수님께 찾아가실 겁니다. 그리고 교수님께 말씀드리겠죠. '교수님. 홍딴딴이가 DC Plasma로는 부도체 소스타겟을 사용할 수 없다고 했습니다. 그러니 RF 파워 모듈 견적을 알아오겠습니다'. 이러시면, 교수님께서는 단호하게 '안돼!' 라고 말하실 것입니다. 그 이유는 두 가지 입니다.
첫째, "RF 파워는 DC파워보다 훨씬 더 고가의 장비입니다." RF 파워를 샀다고 하더라도, DC파워가 RF파워보다 저렴할 뿐이지 DC파워 상당히 비쌉니다. 그런데 RF파워를 장착하면, DC파워는 글로우박스 옆에 빈 공간에 먼지가 수두룩 쌓일 때까지 방치될 것이 분명하기 때문이죠. RF파워를 장착했다고 가정했을 때, 또 한 가지 비용적 측면이 존재합니다. 우리가 증착하고자 하는 세라믹 화합물 같은 부도체 소스 타겟은 제조하기가 매우 까다로워 소스타겟 조차 고가라는 문제가 발생합니다.
둘째, "DC plasma에서 부도체 소스 타겟을 사용 못한다는 것이지, 산화막 박막 형성이 불가능하는 의미가 아닙니다."
"DC 파워를 사용해서 부도체 박막을 형성할 수 없는가?", 아닙니다. 간으합니다. RF 파워가 아니어도 DC파워를 활용하여 산화막이나 질화물 같은 부도체 박막을 형성할 수 있습니다. 그 해답은 바로 반응성 스퍼터링 공정을 활용하면 됩니다. 교관이 이전에 Reactive sputtering을 통해, TiO2 박막을 최적화 시켰던 경험을 토대로 말씀드리겠습니다. TiO2는 83-100의 dielectric constant를 갖는 high-k 소재 중 하나입니다. ~9.1eV의 밴드갭을 가지는 SiO2 대비 ~3.05eV의 작은 에너지 밴드갭 특성을 가지지만 확실히 산화물이며 부도체입니다.
TiO2 박막을 형성하기 위해 TiO2 소스 타겟을 스퍼터 건에 장착시키고 DC 파워를 연결하여 방전을 일으키면 앞선 이유로 양이온이 TiO2 소스타겟 표면에 축적되면서 sheath 전압을 감소시키고 방전을 유지할 수 없게 됩니다. 그래서 RF 파워를 사용함으로써 Plasma를 지속적으로 유지하면서 sputtering을 통해 TiO2 박막을 형성할 수 있게 됩니다.
하지만 우리는 DC 파워만 보유하고 있습니다. 따라서 TiO2 소스타겟을 사용할 수 없게 됩니다. 하지만 우리는 TiO2 박막을 굳이 TiO2 타겟으로 형성할 필요가 없습니다. 다시 말해, Ti 원자와 Oxygen을 반응시켜주면 TiO2 박막을 형성할 수 있다는 것입니다.
이 개념을 도입하면 거의 모든 산화물 박막을 형성할 수 있습니다. HfO2 박막을 형성하고 싶다면, 플라즈마를 발생시켜 Hf 타겟을 이용하여 반응성 가스인 산소를 주입해주면 됩니다. TiN 박막을 원한다면, 반응가스를 산소가 아닌 Nitrogen이 포함된 가스를 주입해주면 됩니다. 따라서 우리는 반응성 스퍼터링 공정을 통해 TiO2, TiN, HfO2, ZrO2 등 다양한 화합물의 박막을 DC 스퍼터링으로 형성할 수 있습니다. Schematic diagram of reactive sputtering system 반응성 스퍼터링은 설비의 구조 또한 매우 간단합니다. 기존 DC Sputter 시스템에 MFC를 통해 반응성 gas만 추가된 구조입니다.
또한, Reactive sputtering에서 가장 중요한 것은 반응가스의 양을 정말 정밀하게 제어 해야 한다는 점입니다. 즉, 형성하고자 하는 박막의 화학양론비가 맞아야 한다는 것입니다. 우리가 TiO2 박막을 형성해야 하는데, 반응성 가스인 산소 가스의 주입량이 과잉으로 주입되게 되면 TiO2가 아닌 TiOx의 화합물이 형성될 것입니다. 그래서 Mass Flow Control, MFC를 통해 주입되는 가스량을 매우 정밀하게 제어하는 것이 중요하다는 것입니다. 따라서 우리는 챔버 내부에 주입되는 반응성가스의 양을 제어함으로써 박막조건을 최적화 할 수 있습니다.
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