[반도체 공정] Thin film 박막공정-1 / Physical Vapor Depostion (PVD)

 

Thin film 박막 공정은 

반도체 제조에서 사용되는 공정 중 하나로, 

반도체 기판 상에 아주 얇은 층을 증착하는 과정을 말합니다. 

이러한 얇은 층은 반도체 소자의 기능을 결정하고, 

전기적, 광학적, 또는 기계적 특성을 제어하는 데 사용됩니다.

 

 

크게 우리는 물리적증착 (PVD), 화학적증착 (CVD) 크게 두가지로 분류를 합니다 !

 

오늘은 PVD에 대해서 간단히 다뤄 보겠습니다

 

 

1) Physical Vapor Depostion (PVD)

 

PVD는 증착시키고 싶은 고체물질을 증착하는 기술로 고체물질을 기체상태로 변환 후 이를 직접적으로 타겟표면에 증착시켜 박막을 형성합니다. 

PVD에서도 스퍼터링(Sputtering), 열 증착 (Thermal Evaporation) 크게 두가지로 나눌 수 있습니다 

 

1-1) 스퍼터링 (Sputtering)

 

스파터링은 물리학적으로 고체 물질의 작은 부분이 플라즈마나 가스의 에너지가 높은 입자에 의해 충돌로 표면에서 떨어지는 것을 의미합니다. 

보통 진공 챔버에 아르곤을 주입하여 플라즈마를 생성하고, 아르곤 이온이 코팅에 사용되는 물질과 충돌합니다. 아르곤 이온과 같은 고에너지 입자는 증착 물질보다 더 높은 에너지 수준을 가지고 있으며, 증착하는 타겟을 

 

스퍼터링은 고체 표면에 고에너지 입자(일반적으로 이온)가 충돌하여 표면 원자를 제거하는 과정입니다. 원자들은 고체 상태에서 기체 상태로 변환되어 주변에 증착되어 박막을 형성합니다.

주로 이온화된 가스 분자나 플라즈마에서 생성된 이온들이 충돌하여 스퍼터링 공정을 수행합니다.

스퍼터링 타겟이라고도 불리는 고체 소재를 증착시키고 싶은 기판 위에 배치합니다.

이어서, 스퍼터링 챔버에 고체 소재를 노출시키고, 공정 동안 필요한 기체(일반적으로 아르곤)를 챔버에 주입 한 후 전기적인 에너지를 사용하여 플라즈마를 생성합니다.

이를 통해 기체가 이온화되고 이온화된 기체 분자들이 고체 타겟에 충돌하면 기체로 변환되어 주변에 증착되어 박막을 형성합니다.

 

 

 

 

 

스퍼터링도 POWER 소스를 어떤 걸 쓰냐에 따라 달라지며 DC / RF 스퍼터링으로 크게 나뉘어 집니다.

 

-DC 스퍼터링: 직류 스퍼터링은 직류 전원을 사용하여 플라즈마를 생성하는 방식입니다. 이 플라즈마는 고체 타겟 표면과 충돌하여 원자나 분자를 제거하고 기체 이온화를 유도합니다. DC 스퍼터링은 비교적 저렴한 장비를 필요로 하며, 주로 금속 층의 증착에 사용됩니다.

-RF 스퍼터링: 고주파 스퍼터링은 고주파 전원을 사용하여 플라즈마를 생성하는 방식입니다. 이 고주파 전원은 보통 13.56MHz 주파수를 사용하며, 이를 통해 생성된 플라즈마가 고체 타겟 표면과 충돌하여 원자나 분자를 제거하고 기체 이온화를 유도합니다. RF 스퍼터링은 증착 속도와 박막의 품질을 향상시킬 수 있습니다.

 

 

 

특징	DC(직류) 스퍼터링	RF(고주파) 스퍼터링
비용	상대적으로 저렴	비용이 높음
운영의 복잡성	단순한 운영	복잡한 운영
층 품질	균일성 및 밀착력이 낮을 수 있음	고순도의 층 형성 및 밀착력이 높음
층 품질 향상	플라즈마의 불균일성으로 인해 품질이 제한될 수 있음	플라즈마의 균일성으로 층 품질이 향상됨
성장 속도	층의 성장 속도가 제한될 수 있음	성장 속도가 향상됨
다양한 소재에 적합	X	O
RF 환경에 민감	덜 민감	RF 시스템의 조정이 필요함

**장단점을 단순히 정리하면 이정도이지만 깊게 들어가면 어려우니 다음 포스팅에서 자세히 설명 해보겠습니다

제가 둘다 해봤는데 확실히 DC가 좀 쉽게 증착 되는거 같습니다 사실 제일 쉬운건 이베퍼레이터입니다 ㅎㅎ

 

스퍼터링에서 중요한 수식은 sputtering yield 부분입니다 

 

스퍼터링 과정에서 타겟 표면에서 제거되는 입자의 수를 측정하는 데 사용되는 중요한 물리량입니다. 이는 일반적으로 타겟 표면에 충돌하는 이온의 에너지, 이온의 질량, 그리고 표적의 물성에 따라 달라집니다. 스퍼터링 수율은 타겟 표면으로 충돌하는 입자마다 제거되는 입자의 평균 수를 나타냅니다.

 

이것이 왜 중요한가 ? 

트랜지스터의 크기가 점점 작아지면서 박막이 점점 얇아지게되고 박막증착에  대해 여러가지 모델링을 하게되는데 요 식을 이용하여서 어떻게 하면 박막증착부분을 개선 할 수 있는지에 대해 모델링하게 됩니다.

 

1-2) Thermal Evaporation

 

간단하게 열을 가해서 증착하는 방식입니다

 

 고체 소재를 가열 소재를 기체 상태로 변환한 후, 기체를 직접적으로 기판 표면에 증착시켜 박막을 형성하는 방법으로 진행됩니다. 이때, 증발 속도와 증발 물질의 양은 공정의 조절을 위해 중요한 요소입니다. 보통 열증착은 저압 고온에서 이루어집니다.

기체 상태로 변환된 소재 분자들은 직접적으로 기판 표면에 충돌하여 층을 형성합니다. 이때, 기판은 보통 유리나 실리콘 웨이퍼와 같은 기체 상태로 변환된 소재 분자들이 충돌하여 층을 형성합니다.

-Electron Beam Evaporation: 이 방법은 전자 총을 이용하여 고체 소재를 가열하여 증발시키는 방법입니다. 전자선은 고에너지 전자를 발사하여 소재를 가열하고, 이에 의해 증발된 소재 분자들이 기판 표면에 증착됩니다. 전자선 증착은 높은 가열률과 고순도의 층 형성을 제공합니다.

-Low Pressure Evaporation : 저압 증착은 보통 10^-5 Torr 이하의 진공 환경에서 이루어지며, 이를 통해 층의 결함을 줄이고 더 높은 박막 품질을 얻을 수 있습니다.
-High Temperature Evaporation :  보통 1000°C 이상의 높은 온도에서 소재를 가열하여 증발시키는 것을 의미합니다. 높은 온도 증착은 일부 소재의 증발 온도가 높을 때 사용되며, 이를 통해 증발 속도를 높일 수 있습니다.