플라즈마와 스퍼터링

플라즈마는 고체, 액체, 기체 외의 제 4의 상태로 이온, 라디칼, 전자가 함께 공존하는 상태이다. 하지만 외부에서 볼 때는 중성의 상태이다. 플라즈마는 Ar와 같은 비활성 기체를 사용하여, 진공에서 기체를 넣고 높은 에너지를 전가하면 만들어진다.

플라즈마 상태를 유지하는데 필요한 것은 전자의 가속과 압력이다.

1) 전자의 가속이 필요한 이유는 전자의 충돌에너지로 인해서 이온화가 진행되기 때문인다.

2) 높은 전기장을 주어 전자를 가속시키려해도, 기체의 양이 많으면 전자가 충돌을 많이 해서 (MFP가 짧아져) 에너지가 감소하기 때문에 이온화를 못시킨다. 반대로 기체의 양이 작아진다면 (MFP가 길어져) 가속은 얻지만 원자와 충돌할 확률이 작아진다.

방전을 일으키는데 전기장과 압력, 전극 재료마다 다른 특성을 나타내는데, 이는 파센법칙이다.

 

스퍼터링은 타겟 물질에 (-)극, 기판에 (+)극을 연결하고, 진공상태의 챔버에 비활성기체 Ar을 채웁니다. 전압을 가하면 Cathode에서 전자가 방출, (+)에 의해 전자가 가속되면서 Ar과 충돌합니다. Ar에서 2차 전자를 내놓으면 Ar+가 되고, (-)극으로 이동하면서 Ar+는 target과 강하게 충돌하게 됩니다. 타겟 물질에 존재하는 금속원자가 튀어나오면서 기판에 증착하게 됩니다.

스퍼터링의 장점은 원하는 물질을 박막으로 만들 수 있다.

DC 전압에서 음극 전압 강하가 일어나게 된다. 그 이유는 전자와 양이온의 이동 속도 차이 때문이다. 양이온이 천천히 이동하며 공간 전하를 만들게 되고, 전자는 빠르게 이동하여 바로 사라진다. 양이온과 음극 사이에 급격한 전위차가 생기게되고 이를 음극전압강하라고 한다. 이 영역에서는 양이온이 음극으로 쉽게 가속된다. 음극에 충돌하는 이온의 에너지는 전압강하에 의해 가속될 수 있는 에너지와 같아지게 된다. 이 음극 전압강하가 시작되는 곳부터 음극까지 Sheath space라고 한다. DC sputtering에서 부도체를 사용하면 음극표면은 양이온으로 대전되버리고, 이온화가 더이상 일어나지 않아 방전을 멈추게 된다.

RF 스퍼터링은 타겟과 기판이 (+)극과 (-)극이 균일하게 교차된다. 타겟과 더물어 기판에서도 스퍼터링이 진행이 된다. 하지만 이런 일은 잘 일어나지 않는데, 그 이유는 self bias 때문이다. Rf는 (+)전류와 (-)전류가 교차되기 때문에 순전류는 0이 되어야 한다. 순전류가 0이 되려면 전자와 양이온의 수는 같아야 하는데, 전자가 실제로 더 많이 존재한다. 그리고 속도가 느린 양이온을 더 끌어오기 위해서 RF 교류 중에서 (-)일 때, 양이온을 더 끌어와야 한다. RF에서 이것을 보상하기 위해서 자체적으로 음전위를 만드는데, 이것을 self bias라고 한다. RF sputtering으로 부도체를 스퍼터링을 하게 되면, 13.56MHz의 속도로 양극와 음극이 반복되어 양이온이 전극 표면에 축적되지 못하도록 한다.

CCP(Capacitively Coupled Plasma) 2개의 전극판 사이에 플라즈마를 형성하는 용량성이띤 용량성 플라즈마. 보편적으로 사용.

ICP(Inductively Coupled Plasma) 플라즈마 외곽으로 코일을 감아 놓은 구조인 유도성이띤 유도성 플라즈마