PVD (physical vapor deposition)

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1 PVD (physical vapor deposition)
강태욱 이부원

2 PVD(physical vapor deposition)
화학 기상 증착법은 화학 반응을 통하여 원하는 물질을 박막을 얻을 수 있는데, 물리 기상증착법은 원하는 박막 물질을 기판이나 덩어리에 에너지를 가하여 운동E를 가지는 해당 물질이 물리적으로 분리되어 다른 기판에 쌓이게 함으로 박막층이 만들어지게 하는 방법이라고 한다 크게 sputtering과 evaporation으로 나눌수 있다. 전계(Electric Field, E)는 전기력선(전속)이 존재하는 공간 혹은 전기력이 존재하는 공간을 뜻하고 자계(Magnetic Field, H)는 자기력선(자속)이 존재하는 공간 혹은 자기력이 존재하는 공간을 뜻합니다

3 PVD법의 분류 물리 기상 증착법읜 분류 스퍼터링법 DC Sputter 2극 Sputter 다극 Sputter
RF Sputter 마그네트론 Sputter 바이어스 Sputter 진공 증착법 저항 가열 증착 전자빔 가열 증착 고주파 가열 중착 레이저빔 가열 증착 Sputtering 이란? 고체의 표면에 고 에너지의 입자를 표면원자와 충돌시켜 고체 표면 의 원자나 분자를 표면으로부터 제거하는 현상.

4 DC Diode 방전 플라즈마 생성을 위하여 양극과 음극 사이에 직류 전압을 인가 해줍니다
이 전압에 의해 전계가 나타나고 음극으로부터 전자가 전계에 의해서 가속되어집니다 플라즈마 내의 전자는 이온에 비하여 매우 가벼우므로 운동속도가 빨라 쉽게 양극으로 빠져나가고 플라즈마는 양전하의 이온으로 가득차게 되어 플라즈마 전위 Vp를 띠게 됩니다. 앙극 쪽에서의 전위는 플라즈마 전위 Vp에서접지점의 전위로 급격하게 떨어지게 되고 인가된 전압 절대값 Vc 와 플라즈마 전위 Vp의 합아ㅣ 플라즈마와 음극 사이에 나타나게 됩니다

5 스퍼터링(Sputtering) 스퍼터링과 중성기체 발생에 관한 목표물 충돌 과정 표적물원자
가속된 전자들이 가스 이온과 출동하여 플라즈마가 지속 되고 발생한 양이온이 음극 전압이 연결된 목표물에 큰 운동에너지를 갖고 출동하면 표적물원자중 일부는 그 힘에 의해서 튕겨저 나옵니다 표적물원자 스퍼터링과 중성기체 발생에 관한 목표물 충돌 과정

6 직류 다이오드 Sputtering Ar+ Ar+ Ar 원자
이온화된 가스분자가 타겟에 –전압을 걸어주면 그 힘에 의헤 아르곤 가스 이온이 –극쪽으로 가게되고 타겟이 부티치게 된다 가속된 아르곤 이온이 타켓이 부티게 되어 타겟의 일부 원자가 튕겨져 나옵니다 이 타겟원자는 웨이퍼에 증착 될것입니다

7 평판 마그네트론 Sputtering 박막 재료 원만을 구리 등을 부착 시킨 타켓과 웨이퍼를 고진공 챔버 내에 대항시켜 놓습니다 이 때 임이의 고전압을 인가하고 챔버 내에 아르곤 가스를 유입시키면 고전계에 의해 아르곤 가스는 양이온으로 됩니다 타켓을 음극 웨이퍼를 양극으로 하여 작류전압을 인가하면 고속으로 가속된 아르곤이온이 타켓에 충돌합니다 이로 인해 타겟재로의 원자가 튀어나와 웨이퍼 위에 흡착됨으로서 박막이 성장 됩나다 이때 음극쪽의 자석에 의한 자장은 스퍼터링 효율을 증가시키는 역할을 합니다

8 이온과 목표물의 충돌 결과 표면 가열 원자 재 정돈에 의한 결함 발생 표면으로의 이온 주입 표면 분자들의 이완
표면으로부터 물질의 이탈 표면으로부터 주입된 이온의 산란

9 직류 다이오드 Sputtering 장점 전류량과 생성피막의 두께가 정비례하므로 Control이 쉽다.
넓은 면적에서 균일한 박막 두께 증착 가능 전류량과 생성피막의 두께가 정비례하므로 Control이 쉽다. 진공즉착에 비하여 보다정확한 합금 성분 조절 가능 Step coverage, 입자 구조 등의 조절가능 전 처리 청결 공정 가능

10 직류 다이오드 Sputtering 단점 고전압 필요(가격 증가) 낮은 Sputtering 효율
높은 에너지의 2차 전자로 인한 기판(혹은 웨이퍼) 가열 및 격자 손실 목표물(target)의 과도한 가열 부도체 스파터링의 불가능 타깃이 소모되기 싶다

11 Sputtering 타켓 타겟의 모양은 여러 가지 모양으로 할 수 있으나, 일반적으로 소형 시스템인 경우 원형 타겟을,
대형 시스템인 것에는 사각형을 장착한다. - 스퍼터 타겟 제작의 핵심 1) 얼마나 얇고 균일하게 타겟과 Backing Plate를 본딩할 수 있나? 2) 사용중에 일어나는 Backing Plate의 변형을 얼마나 최소한으로 할 수 있나? Sputtering 타켓

12 RF Sputtering

13 물리 기상 증착법: 증발 증착법 1.정의 열을 가해서 액체 또는 고체로부터 증기를 발생시켜 발생된 증기를 기판에 증착 시키는 과정 2. 분류 열 증발 증착법 (thermal evaporation deposition) 전자빔 증발 증착법 (electron-beam evaporation deposition)

14 물리 기상 증착법: 증발 증착법 *특성 -증발 과정 시, 증발체는 보통 높은 진공 상태에서 열이 가해짐.
웨이퍼 홀더 웨이퍼 진공시스템 반응체 가열기 배기 증기흐름 *특성 -증발 과정 시, 증발체는 보통 높은 진공 상태에서 열이 가해짐. -증착 속도는 타겟의 형상과 증기 방출 흐름 속도에 의해 결정되며 증기흐름속도에 비례. 증발 및 증착 과정 개략도

15 물리 기상 증착법: 증발 증착법 증발 증착법의 종류: 전자빔 증발 증착법
저항체로 불가능하거나 어려운 물질(금속 또는 세라믹)을 전자빔 을 이용하여 증발시키는 방법 화합물, 합금, 증발이 어려운 물질 등에 이용할 수 있고, 반응성이높은 원소에도 사용 가능 박막의 질을 증가시키기 위해선 증발 속도를 높이고 주변압력을 낮추어야 함. 열이온 전자빔 건(thermoionic electron beam guns) 플라즈마 전자빔 건(plasma electron beam guns)

16 물리 기상 증착법: 증발 증착법 전자빔을 사용하여 증발체를 국부 가열한다. 녹는점이 높은 물질에도 사용 가능하다.
전자빔 증발 증착법 개략도 전자빔을 사용하여 증발체를 국부 가열한다. 전자빔 녹는점이 높은 물질에도 사용 가능하다. 주요 문제점으로 MOS 장치에 방사선 데미지를 줄 수 있다. 양극

17 물리 기상 증착법: 증발 증착법 *증발 증착법의 문제점 -증발 증착법을 사용할 수 있는요소가 한정되어 있음.
-특정요소에 대해서 증착속도가 느림 Step Coverage가 낮음 - 현재 거의 사용하지 않음. 박막이 특정부분에서 생성되지 않음 Step Coverage가 낮음 Step Coverage 향상을 위해 웨이퍼의 회전이 필요함

18 물리 기상 증착법: 증발 증착법 Step coverage 차이 Step Coverage