안녕하세요, 송송입니다. 저번에 CVD 와 PVD 모두 알아보려 했으나.. CVD 분량이 생각보다 많아서 따로 분류를 하려합니다. 식각 공정에서 충분히 chemical 반응과 physical 반응의 차이를 이해하셨을테니, 증착 공정에서의 화학적 및 물리적 방법도 금방 이해하실겁니다.
그럼 시작하겠습니다.
1. PVD(Physical Vapor Deposition)
- 물리적인 힘에 의해 Targer 물질을 기판에 증착시키는 방법.
PVD 방식은 크게 Thermal Evaporation, E-beam Evaporation, Sputtering 방식으로 나뉘게 됩니다.
* 크게 어려울것은 없습니다. Thermal Evaporation = 열 증발 방식 → Target 물체에 열을 가해 이를 증발시켜 기판에 증착시키는 방식. E-beam Evaporation = 열 증착식에서 사용되는 Boat 대신에 Electron gun을 사용하는 방식. Sputtering = 플라즈마 내 이온화된 Ar 가스가 Target을 뜯어내 기판에 증착시키는 방식.
간단하게 어떤 방식인지 말씀드렸는데.. 이렇게만 설명해도 어떤 느낌인지 감이 오시나요?
1) Thermal Evaporation(열 증발법) : 증착 시키고자 하는 물질(Target)을 보트위에 두고 열을 가해줍니다. 그럼 Target이 증발하면서 위에 있는 기판에 증착되겠죠. 기본적으로 단원소 물질을 증착할 때 사용되고 있습니다.
예를 들면 우리 생활에서 많이들 볼 수 있죠, 과자 봉지를 뜯으면 안에 은색으로 다 되어있죠? 그거 다 요 방식으로 진행된다고 합니다. 신기하죠?
- 이때 Target 물질을 올려놓는 Boat는 Target이 녹을 때 합금이 되면 안되기 때문에, 용융점이 높은 텅스텐을 주로 사용하고 있습니다.
공정 순서를 알아보겠습ㄴ다.
1) Target 물질을 Boat 위에 위치시킨 후에 내가 증착하고자 할 물질(기판)을 위에 로딩합니다.
2) 챔버 진공 모드! → 처음 포스팅에 진공에 관한 설명이 잘 되어있으니 참고하세요~
3) Boat에 열을 가한다. * 뭐 아궁이에 불떼는거 아니구요. 저항을 이용한 열 전달 방식입니다.
4) 열에 의한 Target이 증발되어 상대적으로 차가운 기판에 붙어 응축한다.
5) 기체 분자들이 응축하여 박막을 형성합니다.
▶ Thermal evaporation이 잘되려면 어떻게 해야할까요?
- 이 부분도 항상 얘기하지만, 진공을 사용하는 모든 공정은 다 이유가 있습니다. 멋있으니까 사용하는게 아니에요. 진공에서는 가장 중요한 것!! 청정한 환경이 만들어지기 때문입니다. 고진공으로 갈수록 더욱 clean한 환경이 만들어지죠.
그렇기 때문에 Thermal evaporation 공정에서의 고품질 박막을 얻기 위해서는 고진공 상태가 되어야합니다. 그렇지 않다면, 챔버 내부에 있던 불순물들이 같이 응축되어 원하지 않는 박막이 형성되겠죠?
- 뿐만 아니라, 증발에 의해 증착되는 방식이기 때문에 과연 균일할까요? 음.. 거시적으로 본다면 균일하게 형성될것입니다만, 미시적 시점에서 본다면 그렇지 않을겁니다. 그렇기 때문에 균일한 막 형성을 위해 기판을 일정 속도로 회전하여 골고루 막이 형성될 수 있게 해줍니다.
- 사실 Thermal evaporation 공정의 핵심은 바로 열입니다. Target에 얼마나 큰 열 에너지를 전달하느냐에 따라 더 많이 증발되어 더 두께운 막이 형성되겠죠. 너무 많은 열 에너지를 가한다면, Boat를 구성하는 텅스텐 금속까지 증발될 수 있고, 균일하지 못한 두께가 만들어질 수 있습니다.
그렇기 때문에 각 물질마다 고유한 레시피를 찾아야합니다.
2) E-beam evaporation : Thermal evaporation과 동일한 방식을 갖지만, 증착하고자 하는 물질에 직접적인 열을 가하는 대신 E-beam을 가해 증발시킵니다.
* E-beam = Electron beam
- 이 방식은 기존 Thermal evaporation 방식의 한계점을 보완한 방식입니다. Theraml evaporation의 경우는 저항열을 통한 가열 방식이기 때문에 어느정도 온도의 한계가 있습니다. 그러나, E-beam을 활용하면 높은 용융점을 가진 Target(Mo,W)도 증착이 가능하게 됩니다. 뿐만 아니라, Thermal evaporation의 낮은 step coverage를 보완할 수 있습니다.
물론, 필라멘트에서 발생하는 Electron gun에 의해 열을 전달하는 방식기 때문에 증착속도가 빠릅니다.
단점으론로는 필라멘트로 부터 집속되는 E-beam을 잘 관리해줘야합니다. 그렇지 않으면 비용이 어마무시하게 들어갈것입니다. 뿐만 아니라, 고에너지를 쏘는 E-beam이 금속과 충돌하면 X-ray가 발생될 수 있기 때문에 주의하여 사용해야합니다.
3) Sputtring - 이온화된 Ar+를 Target 물질에 충돌시켜 뜯어내면서 기판에 박막을 형성하는 방식입니다.
- 스퍼터링 공정에서는 챔버 내 아르곤 플라즈마를 발생시켜 진행되는데요, 식각 공정시간에 스퍼터링 식각은 플라즈마 내 이온화된 Ar+이온이 가속되어 기판과 충돌하여 뜯어내면서 식각한다고 설명했습니다. 여기서는 Target에 Ar+을 충돌시게 합니다. 그럼 Target 물질이 뜯어져 나오겠죠? 그 뜯어져 나온 Target 물질을 기판에다가 증착시키는 원리입니다.
어려운게 하나도 없죠~
▶ 스퍼터링의 경우는 넓은 면적에 균일한 박막이 증착가능하다는 장점이 있습니다.
그러나 단점으로, 낮은 증착률을 갖습니다.
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이상으로 CVD, PVD에 대해 설명은 끝났습니다.
그런데, 최근에는 CVD, PVD 말고 다른 증착 법이 있습니다.
관심이 있으시거나, 반도체 증착에 조금이라도 발을 담그셨다면 들어보셨을 겁니다. ALD!
Atomic Layer Deposition.
네. 식각 공정에서도 다룬 ALE와 같은 원리로 이번에는 원자층 증착법입니다.
그럼 다음 시간엔 ALD에 관해 얘기해보도록 하겠습니다.