증착 - PVD 공정(The Film/Oxide Deposition)

 

CVD/PVD의 비교

2. 물리적 기상 증착 (Phisical Vapor Deposition / PVD)

: 물리적인 힘에 의해 Target 물질을 기판에 증착시키는 방법.

PVD의 종류 (SK hynix newsroom)

PVD 증착 방식으로는 크게 증발(Evaporation)방식과 스퍼터링(Sputtering)방식이 존재한다.

증발은 말그대로 Target물체에 열을 가해 증발시켜 기판에 그 물질을 증착하는 방식이고

스퍼터링은 Target물체에 Ar가스를 이용하여 이온화된 이온의 플라즈마 상태를 이용해 증착하는 방식이다.

 

• Thermal Evaporation (열 증착법)

Thermal Evaporator (gycat.com)

먼저 증발(Evaporation)방법의 첫번째 방식이다.

방식의 이름 그대로 열을 이용해서 물질을 가열시키고, 증발된 물질이 기판에 붙어 증착되는 방식이다.

(주로 단원소 물질을 증착하고자 할 때 사용한다.)

 

이때 Target 물질이 올라가는 Boat는 Target이 녹을 때 합금이 되면 안되므로. 융융점이 높은 텅스텐을 주로 사용한다.

Thermal Evaporation 증착의 진행 과정을 시간의 순서에 맞추어 따라가 보자면.

 

0. Target 물질을 Boat 위에 위치하고 증착될 Substrate 또한 위치시킨다.

1. Chamber 내부를 진공으로 만든다 (진공펌프 이용)

2. 저항열을 이용해 Boat에 열을 가해준다

3. 기판에 도착한 증발된 Target은 상대적으로 차가운 Substrate와 만나 응축된다.

4. 기체분자들이 응축의 과정을 거치면서 박막(Thin-film)을 형성한다.

 

※ Thermal Evaporation이 잘 이행될 조건.

좋은 품질의 박막을 얻기 위해서는 먼저 고진공 Chamber의 상태를 만들어 주어야 한다.

→ 만약 진공이 충분히 잡히지 않는다면, Chamber내의 불순물 분자에 부딪혀 균일한 박막이 증착되지 못한다.

또한 증발된 Target 원자는 직진성을 띄면서 기판에 접근하는데, 이 때 입체적으로 더 균일한 박막을 증착시키기 위해서 Substrate 기판 자체를 회전시키면서 증착을 시킨다.

마지막으로 Boat에 가해주는 저항열의 온도조절이다. 온도가 높으면 높을수록 Target 원자가 더 많이, 빠르게 날아가 박막도 같이 빠르게 형성된다. 하지만 무작정 열을 높히는데에도 한계가 존재하고, 너무 많이 높히면 Boat 를 구성하는 Metal까지 증발되어 박막이 합금된채로 증착될 수 있다. 또한 너무 빠른 증착속도로 증착이 진행되면 두께가 균일하지 못하게 증착되는 경우도 발생할 수 있으므로 적절한 Recipe을 따라야 한다.

 

Thermal Evaporation방식은 융융점이 낮은 Al, Cu, Ag, Au등의 단원소 증착에 유리하다.

반대로 말하자면. 융융점이 높은 금속이나 Target에는 적용하지 못하는 한계점이 존재한다.

• E-beam Evaporation (전자빔 증착법)

E-beam Evaporator

증발(Evaporation)증착방식의 두번째 방법이다. Target에 열을 가해서 증발시켜 기판에 증착시킨다는 점은 Thermal Evaporarion 방식과 동일하다.

(따라서 진행 방식과 주의사항도 대동소이하다.)

그러나 위에서 저항열을 이용한 Thermal Evaporation은 부분적인 증발을 시키기 어렵고, 가할 수 있는 온도에 한계치가 존재한다. (저항열이기 때문)

하지만 필라멘트에서 발생하는 E-beam을 이용하면 높은 융융점을 가진 Target (Mo, W등)도 증착시킬 수 있게 되며 Thermal 방식보다 증착속도도 빠르고, 하부막과의 접착력도 더 우수하다.

 

※ 단, 공정상에서 고에너지의 전자가 금속과 충돌하게 되면 X-ray가 발생할 수 있고, 이는 공정상에서 문제를 일으킬 수 있는 가능성이 있다. 또한 E-beam을 발생시키는 필라멘트의 열화로 인해 시간이 지날수록 증착 속도가 느려진다는 단점이 있다.

 

- 위의 두 증발증착법은 현대에 와서 공정상의 한계점이 명확하고, 생산성의 문제로 인해 더이상 사용하지 않는다.

(연구실 수준에서는 운용중)

 

따라서 현대에 사용되는 스퍼터링(Sputtering) 방식은 다음포스트에서 자세하게 알아보겠다.