스퍼터(Sputter)의 모든 것

PVD(Physical Vapor Deposition)는 반도체 관련 공부를 하신 분이라면 한 번쯤 들어보셨을 단어일텐데요. 물리적인 방법을 통해서 증착을 하는 방법이 바로 PVD입니다. 물리적인 방법이라고 하면, 어떤 방법이 떠오르시나요? 저는 사람이 작접 하나하나 이어 붙이는 것이 떠오르기는 하는데요. 실제로 그러한 방법으로 진행한다면 Human error가 공정간에 크게 발생하기 때문에 큰 문제가 생길 수 있습니다. 그래서 PVD는 보통 전기를 이용해서 진행하게 됩니다. 오늘은 PVD의 한 종류인 Sputter에 대해서 알아보는 시간을 가져보고자 합니다.

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출처 : 위키

스퍼터(Sputter)는 무엇인가요?

앞서서 PVD는 물리적인 방법을 통해서, 증착을 진행한다고 말했는데요. 스퍼터(Sputter)도 이와 유사합니다. 우선 위와 같 이 회로를 형성합니다. 설명을 위해서 위의 스퍼터는 직류 전원을 사용한다고 가정하겠습니다. 이러한 직류 전원과 연결된 커패시터 사이에 공기를 빼내고, Ar을 저진공으로 투입해주게 됩니다.

 

그런 상태에서 전원에서 큰 전압을 가하게 된다면 어떤 일이 벌어질까요? 커패시터의 두 극 사이에서는 방전이 일어나게 되고, 이러한 방전은 Ar gas를 Ar+와 전자로 분리시키게 됩니다. 이렇게 플라즈마가 생성되는 것이죠. 생성된 플라즈마는 전기장에 따라 음극에 있는 타겟물질과 충돌하게 되고 타겟물질은 충격에 의해서 원자 또는 분자들이 분리되게 됩니다. 이렇게 분리된 분자들은 기판에 흡착되게 됩니다. 즉, 박막을 형성하는 셈이죠.

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스퍼터를 이용해서 만드는 물질

위와 같은 방법을 이용하여 스퍼터링을 진행하게 됩니다. 스퍼터링을 이용해서 만들 수 있는 박막은 여러가지가 있는데, 아래와 같습니다.

- 금속 : 크롬, 구리, 티타늄, 금, 백금

- 합금 : 니켈-구리 등

- 산화물 : SiO2 등

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스퍼터링의 특징

스퍼터링은 다른 박막 형성 방법에 비해 증착 능력 및 합금을 유지하는 능력이 뛰어납니다. 또한, 고온에서 내열성이 있는 금속의 증착 능력이 뛰어난데요. 스퍼터링은 녹는점이 높은 금속이나 합금을 박막 재료로 형성하기에 용이한 방법입니다. 그래서, 산업계에서 광범위하게 사용하고 있습니다. 또한, 스퍼터링을 이용해서 만들어지는 막은 구성하는 입자의 결합 에너지가 강하며, 물리적 특성이 우수합니다.(부착력 GOOD, 치밀한 막) 또한, 공정이 안정적이며 반복성과 재현성이 우수합니다. 이러한 무수한 장점만 있으면 좋으련만, 다만 문제점이 하나있겠죠. 바로 가격입니다. 초기 장비비가 비싸다는 단점을 가지고 있습니다.

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스퍼터링 종류

1. DC 스퍼터

기판을 양극에 두고, 박막 재료를 음극에 나둔 뒤, 양극으로 전압을 가하여 스퍼터링 하는 방법입니다. 3~5kV의 높은 전압을 가해서 음극과 양극 사이의 방전으로 인하여 극 사이에 위치한 Ar+과 같은 비활성 기체들이 플라즈마화 되어 공정이 진행되게 됩니다. 다만, 절연 재료의 박막은 스퍼터 되지 않기에, 금속과 같은 전도성 있는 물질의 박막 증착만 가능합니다,.

 

 

2. RF스퍼터

RF는 Radio Frequency를 의미하는데요. 앞서 말씀드린 절연재료의 박막 형성을 위해서 사용하는 스퍼터링 방법입니다. 주파수는 약 14MHz에 달할 정도로 빠르게 주파수를 변화시켜서, 절연 재료에도 증착이 가능하게 하는 방법입니다.

 

3. 마그네트론 스퍼터

마그네트론 스퍼터링은 기존의 스퍼터의 속도 개선을 위해 고안된 장비입니다. 타겟 뒤편에 자석을 이용하여, 생성된 플라즈마가 타겟에 오는 양을 더욱 더 많이 오게끔 만들어주는 역할을 수행합니다. 빠른 속도로 증착이 가능하지만, 타겟의 일정부분만 소비되어서 타겟을 모두 쓰지 못하는 단점을 가지고 있습니다.

 

4 이온빔 스퍼터

기존의 플라즈마를 이용해서 증착 물질을 분리하는 방법 대신에, 이온빔에서 생성된 이온을 이용해서 증착 물질을 타겟으로부터 분리하여 기판에 증착시키는 스퍼터링 방법입니다. 플라즈마를 만들면, 고진공을 잡기가 정말 힘든데 이러한 이온을 이용하면 고진공을 이용해서 막을 형성할 수 있습니다. 당연히 고진공의 환경에서는 더욱 양질의 박막을 만들 수 있습니다.