박막제조공정 Kangnung National University Jeong Hyo Tae  박막제조공정의 개요  Physical Process  Chemical Process  Vacuum and so on  Superconduction

박막제조공정의 개요  Thin film process 1.Thin film deposition( 증착 ) 과 Photolithography( 사진식각 ) 기술을 이용하여 원하는 형상의 회로를 형성하는 일련의 과정을 thin film process 라 한다. 2.Thin film deposition: 증착물질을 수십 ~ 수천 A 두께로 특정기판에 올리는 것으로 크게 Physical process 와 chemical process 가 있다.  박막증착방법의 분류 1.PVD – thermal evaporation, e-beam evaporation, DC sputtering, RF sputtering 2.CVD – Sol-Gel, Plating, LPCVD, PECVD, ECRCVD

기화증착법, Evaporation 1. Thermal evaporation 2. E-beam evaroration 3. 두가지 방법의 복합  장점 1. 장비 전체의 구성이 비교적 간단하다. 2. 매우 많은 물질에 쉽게 적용할 수 있다. 3. 박막이 될 수 있는 메카니즘이 비교적 단순하기 때문에 박막형성에 있어서 핵생성이나 성장이론과의 대응을 하기 쉽다. 4. 박막을 만들때, 열적, 전기적 번잡함이 작기 때문에 박막형성시의 박막의 물성연구에 적합하다. 5. 열역학적으로 평형조건에서 되는 물질과 다른 결정구조를 지닌 물질이나 다른 성분비를 지닌 화합물을 만들 수가 있다.

저항가열법, Thermal evaporation 고융점의 금속 (W, Mo, Ta 등 ) 의 박 또는 선을 적당한 형상으로 만든 증발원에 증착 재료를 놓고, 전류를 흘려 직접가열하여 물질을 증발시키는 방법과 고융점 산화물인 Al2O3 와 BeO 와 같은 도가니 주변에 열선을 감아서 간접적으로 가열하는 방식이 있다. 이런 저항열을 이용한 evaporation 은 용융점이 낮은 재료 (Al, Cu, Ag, Au..) 의 증착에 유리하며, 증착속도는 filament 에 공급하는 전류량을 조절함으로써 변화시킬 수 있다. 그림. 전기저항을 이용한 thermal evaporation system 그림 전기저항 thermal evaporation 에 사용되는 다양한 filament 형태.

전자충격법 (e-beam evaporation)  Electron beam source 인 hot filament 에 전류를 공급하여 나오는 전자 beam 을 전자석에 의한 자기장으로 유도하여, 증착재료에 위치시키면 집중적인 전자의 충돌로 증착재료가 가열되어 증발한다. 이것의 특징으로는 전자선의 집속에 의해 국부적인 고온을 얻을 수 있어 고순도의 박막 형성이 가능하고, 고융점 금속을 포함한 모든 재료에 적용할 수 있다. 그러나 증발 분자와 잔류 가스를 이온화시켜 막질에 영향을 미치는 경우가 있으며, 장치가 복잡해지는 단점이 있다.  E-beam evaporation 의 장단점 장 점단 점 1. 증착속도가 빠르다. ( ～ 50 Å /sec) 2. 고융점 재료의 증착이 가능하다. 3. Multiple deposition 이 가능하다. 1. 유해전자파 발생. (X-ray) 2. E-beam source 위에 원자의 농도가 큼으로 와류 또는 discharge 가 심하다.

전자충격법 (e-beam evaporation)  Electron beam source 인 hot filament 에 전류를 공급하여 나오는 전자 beam 을 전자석에 의한 자기장으로 유도하여, 증착재료에 위치시키면 집중적인 전자의 충돌로 증착재료가 가열되어 증발한다. 이것의 특징으로는 전자선의 집속에 의해 국부적인 고온을 얻을 수 있어 고순도의 박막 형성이 가능하고, 고융점 금속을 포함한 모든 재료에 적용할 수 있다. 그러나 증발 분자와 잔류 가스를 이온화시켜 막질에 영향을 미치는 경우가 있으며, 장치가 복잡해지는 단점이 있다. 그림 개략적인 e-beam evaporation system. 그림.Cylinderical electron focusing electrode 를 지닌 e-beam evaporator 구조

Sputtering deposition  스퍼터링은 높은 에너지를 갖는 미립자들에 의한 충돌에 의해 타겟 (target) 이라고 불리워지는 물질의 표면으로부터 원자들이 떨어져나오는 메커니즘으로 설명되어질 수 있다. 이 증착 방법은 Al, Al 합금, Pt, Au, Ti:W, 그리고 W 과 같은 금속 박막의 증착에 많이 사용되며 이 외에도 SiO2 와 같은 비전도성 물질의 증착에도 사용할 수 있다. 일반적으로 스퍼터링 공정은 먼저 이온들이 생성되어 타겟쪽으로 이동을 하게되고 이동한 이온들은 타겟에 충격을 가하게 되며, 이러한 작용을 받은 타겟의 원자들이 타겟으로부터 떨어져 나와 기판쪽으로 이동하게 된다. 이렇게 이동한 원자들은 기판위에서 응축하게되고 결국에는 얇은 박막을 형성하게 된다.  스퍼터링의 장단점 장 점단 점 1. 넓은 면적의 target 을 사용할 경우 wafer 전 면적에 걸친 고른 박막의 증착이 가능. 2. 박막의 두께 조절이 용이. 3. 합금 물질의 조성은 evaporation 에 의해 제조된 박막보다 더 정확하게 조절이 가능. 4. 합금 물질을 증착하기 위한 많은 target 물질들이 있음 1. 높은 설치 비용. 2. 몇몇 물질의 경우 (SiO 2 ) 증착 속도가 매우 느림. 3. 유기물 고체인 경우 ionic bombarment 를 저해시키거나 품질이 떨어짐. 4. 공정이 저진공상태에서 수행되므로 다른 불순물에 의한 오염 가능성.

Sputtering deposition 스퍼터링의 원리

 직류 인가 스퍼터링 (D.C Glow Discharge sputtering) 가장 간단한 스퍼터링 구조로서 전도성 물질의 스퍼터링에 사용된다. 이 구조의 가장 큰 단점으로는 비전도성 물질의 스퍼터링이 불가능하다는 것이지만 가장 일반적으로 손쉽게 사용할 수 있다는 것이 장점이다. Sputtering deposition

 라디오 주파 스퍼터링 (radio frequency sputtering) 직류 인가 스퍼터링의 가장 큰 단점은 절연물질의 증착이 불가능하다는데 있다. 이러한 절연물질들을 스퍼터링에 의해 박막을 형성시키기 위해서는 직류 전원이 아닌 다른 전원를 사용하여야 하는데, 교류 전압을 사용하는 경우 이러한 절연 물질을 이용한 박막의 증착이 가능하게 된다. Sputtering deposition

 마그네트론 스퍼터링 (magnetron sputtering) 여러 종류의 스퍼터링 장비에 추가적으로, target 의 뒷면에 magnetic 을 장착하여 전기자기장에 의한 전자의 와류 운동을 이용하여 target 표면에 전자를 구속함으로써 sputtering yield 를 향상시켜 증착속도를 증가시킬 수 있다. Sputtering deposition

화학기상증착법, Chemical Vapor Deposition 반도체 공정에 주로 이용되는 화학기상증착은 기체 상태의 화합물을 공급하여 기판과의 화학적 반응을 유도함으로써 반도체 기판 위에 박막층을 형성하는 공정이다. 1. 대기압 화학기상증착 (APCVD) 2. 감압 화학기상증착 (LPCVD)  장점 1) 다양한 특성을 가지는 박막을 원하는 두께로 성장시킬 수 있다. 2) 여러 가지의 화합물 박막의 조성 조절이 용이하다. 3) 기판과의 화학반응에 의해 박막이 형성되므로 단차피복성 (step coverage) 이 매우 우수하다.

기본적인 CVD 공정 CVD 공정의 개념 : 적층될 물질 원자를 포함한 화학물질이 반응실에서 다른 물질과 반응하여 원하는 물질을 생성하여 기판에 증착. 일예로, SiCl 4 + 2H 2  Si + 4HCl↑ CVD 로 증착 가능한 물질

기본적인 CVD 공정 기체 혹은 액체 상태의 source 물질을 저장하고, 계량. 1. 온도범위 : 실온 ~1250 ℃. 보통 생산성이 좋다면 저온 공정이 유리. 2. 압력 : 압력에 따라 APCVD, LPCVD, HPCVD 로 구분. 에너지 원 방 법 열 전도, 유도 RF, 복사, 대류 / 복사 플라즈 마 AC, DC 자외선광화학 수정 (Quartz) 나 Stainless Steel 을 사용. 여러 에너지원 중에서, 반응의 필요성, 최대 공정 온도, 성장률, 시스템 가격을 고려해 선정. 시스템 개요

기본적인 CVD 공정 Cold Wall Deposition System: 유도나 복사 가열에 의해 웨이퍼와 홀더만을 직접 가열하며, 반응실 (Chamber) 벽은 웨이퍼에 비해 온도가 낮음. - 대부분 웨이퍼와 홀더에만 증착. Hot Wall Deposition System: 가스 상태의 source 를 직접 가열하여, 반응 생성물을 얻는 방법. - 반응실 (Chamber) 내부 모든 면에 증착. CVD 막의 조건 : 막의 두께가 균일하고 ( 우수한 step coverage), 전기적, 물리적 요구를 만족시켜야 함.