안녕하세요, 송송입니다. 저번 시간에는 증착 공정에서 CVD, PVD에 대해 알아봤습니다. 이번 시간에는 Atomic Layer Deposion 공정에 대해 알아보겠습니다. 식각 공정에서 다뤘던 ALE 공정의 역방향으로 생각하시면 충분히 이해하기 쉬울거라고 생각합니다.
ALE도 잘 모르겠다면 이전 글을 참고하세요!
2023.07.14 - [분류 전체보기] - 차세대 식각 기술 @ ALE 간단히 알아보기
1. ALD(Atomic Layer Deposition) : 원차층 증착법
- 한층 한층씩 증착시킨다는 말입니다. 자, 그럼 어떻게 한층 한층 쌓느냐. 같이 알아보겠습니다.
- ALD는 쉽게 4 Step으로 나눌 수 있습니다.
1) 흡착 단계 : 전구체를 챔버에 주입하면 기판과 화학 반응한다.
* 전구체 이전에 설명했기 떄문에 넘어갑니다~
2) 퍼지합니다.
3) 치환 단계 : 반응물을 넣어 1차 흡착된 물질과 화학 반응이 일어난다.
4) 퍼지합니다.
5) 생성 단계 : 최종적으로 우리가 만들고자 하는 막(층)을 형성한다.
6. 퍼지합니다.
- 분명 4 step이라고 했는데 6 step 인데용? .... 퍼지는 뭐.. OK
먼저 기판과의 전구체에 의한 1차 반응 후에 ALD에서는 ALE와 마찬가지로 자기 제한적 반응(Self-limiting reaction)이 일어납니다. 표면에 한 층 반응하면 더 이상 반응하지 않는 것이죠. 이 상태에서 퍼지를 하게 되면, 나머지 잔류 가스들이 외부로 배출되기 때문에 기판에 한 층 생성되겠죠.
퍼지 후 전구체 물질과 반응할 반응물을 주입하게 되는데요, 이떄 주입된 가스는 기판과 반응한 물질과 화학적 반응을 일으켜 그제서야 우리가 원하는 막!(Film)이 형성되게 됩니다.
막이 형성 되었으면, 다시 퍼지를 해서 쓸데없는 애들을 다 배출시키면 완벽한 한 층의 막이 형성되게 됩니다.
이해하기 쉬우라고 그림으로 보여드리죠.
ALD 공정은 한 층 한층 쌓아가는 형식이기 때문에 우리가 원하는 만큼의 막을 형성할 수 있습니다. 그래서 두께 제어가 용이하죠. 기존 CVD, PVD 공정에서는 nm 단위의 막을 형성하고 나노 스케일에서의 두께 컨트롤이 어렵지만, ALD 공정은 1 cycle당 수 Å 단위로 증착되기 때문에 나노급의 얇은 박막 형성에 유리합니다.
→ 1 cycle은 저 6단계를 거쳐 1 층의 막을 형성하게 되는데, 그 단계를 거치면 1 cycle이라고 합니다.
▶ 장점
- 나노 단위의 얇은 박막 형성에 유리함
- 두께 컨트롤 가능
- 균일한 박막 형성 가능
- 기판의 형태.. 음 복잡한 형태의 물질에서도 증착이 가능
▶ 단점
- 오래걸린다. → ALE의 단점하고 같죠? 생각해 봅시다. 나는 10 um 정도의 막을 형성시키고 싶은데 ALD 공정 1 cyccle의 GPC가 5 Å이면.. ?
* GPC는 Growth per cycle = 1사이클당 증착률을 뜻합니다. GPC가 높으면 1 사이클당 증착 막이 두껍다 뭐 요정도 알아둘게요!
본론으로 넘어가서, 10 um를 1 cycle당 5 Å로 증착된다 하면 몇 사이클을 돌아야 할까요? 퀴즈~
저 A자에 점찍은건 뭔데? 에이.. 이거 모르면 아니죠 모를 수 있죠. 얘는 옹스트롱이라는 단위입니다.
1 Å = 10 nm
1 nm = 1 x 10-9 m
1 um = 1 x 10-6 m
1 mm = 1 x 10-3 m
1 cm = 1 x 10-2 m
공학을 하다보면 길이 단위가 좀 헷갈릴때가 있죠. 보통은 나노에서부터 보기때문에 이 정도만 알아두셔도 충분할겁니다. 더 미세 단위는 글쎄요.. 실생활에서 잘 안씁니다.
암튼! 그래서 몇 사이클이냐고!!!
1 um = 10000 Å
10 um = 100000 Å
20000 cycle을 거쳐야 10 um의 박막을 얻을 수 있네요. 갑자기 산수 블로거가 된느낌이죠..
그러면 1 cycle에 1분 걸린다고 가정해보면 20000분 이거 몇시간이죠? 333.333시간이네요. 이 시간동안 ALD 장비는 쉬지않고 일을 해야 만들 수 있네요. 이런 친구를 양산에서 쓰고 싶을까요? 당장 10 um 만들어서 팔고싶은데 이렇게 거북이처럼 만들어내니 영 내키지 않겠죠.
증착된 박막의 품질은 참 좋은데, 속도가 맘에 안든단 말입니다. 그래서 물론, 예전부터 연구되고 있지만 최근까지도 꾸준히 증착률을 높일 새로운 전구체가 개발중에 있습니다.
예를 들면, Al2O3 박막을 만들어내고 싶으면 전구체를 뭘 써야하나.. 일반적인 Al2O3에 사용되는 전구체는 TMA가 있습니다. TMA(Trimethylaluminum, Al(CH3)3)이라는 물질인데, 이 물질이 Al을 만들어주는 전구체입니다.
그럼 지금 산소가 없죠? 산소를 만들어줄 반응물로는 H2O(수증기) 또는 O3 오존을 사용하고 있습니다.
이 두 물질을 위에 설명한 방식으로 1 cycle을 돌리면 Al2O3 한 층이 형성되게 되는것이죠.
이렇듯 원하는 물질마다의 전구체가 존재하고 있고, 전구체 마다 증착률이며, 형성된 막의 품질이 다르게 됩니다.
사실 전구체 관련해서는 화학 base가 있어야 어렵지 않을거에요. 만약에 관심 있으시다면 유기화학, 무기화학 등 화학에 대해 공부를 먼저 해보시는걸 추천드려요. 분자의 구조를 바꿔서 합성하고 뭐 이렇게 개발하기 때문에 유리합니다!
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현재 ALD는 많은 분야에 응용되고 있는 공정 기술인데요, 지금 가장 핫한 배터리 분야에도 ALD가 사용되고 있습니다.
양극제니, 음극제니, 전고체 배터리 개발 단계에서 얇은 박막을 필요로하기 때문에 사용된다고 알고있습니다.
그러니 ALD 공정에 대해 빠삭하다면 어느 기업이든 골라서 갈 수 있다는 말!!
다들 한번씩 관심가져보셔도 좋을 듯 합니다.!
다음 시간에는 고유전율 High-k 에 대해 알아보는 시간을 갖도록 할게요.