[반도체 공정] 박막공정(Thin film, Deposition)-4

5. PVD(Physical Vapor Deposition, 물리 기상 증착)

  : 금속 증기를 이용한 물리적 방법을 통한 증착 방법

 

1) 장점: 저온공정, easy, safe, 저렴

   단점: Step coverage 나쁨

 

2) 종류

출처-삼성디스플레이 뉴스룸

1. Evaporation(진공증착)

  - Thermal Evaporation, E beam Evaporation

 

  - 장점: Sputtering보다 빠름

  - 단점: 매우 고진공(10^-3~10^-6)-우수한 막질, 증발된 입자의 산화 방지 위함

                                                                 -> 입자의 직진성으로 인해 단차 피복성 떨어짐 (거의 사용 x)

                                                                 -> 기판 가열로 입자의 표면 이동도 상승시킴 or 기판 회전으로 약간 개선 가능

 

 

 

2.  Sputtering

  - 불활성 기체인 아르곤 가스가 플라즈마 형성-> 아르곤 이온이 타겟과 충돌

     -> 충돌 에너지가 타겟에 전달-> 타겟 원자간 결합에너지 이상이 되면 타겟으로부터 금속원자 분리

 

  - 대부분의 금속 박막에 이용 가능(우수한 피복성 or gap fill 특성 필요시 CVD 사용)

 

  -   Evaporation 대비 피복 능력 개선: 반응 가스 주입 후 고압력-> 타겟 입자 직진성 완화-> Shadowing 효과 감소

                                                                       스퍼터 된 타겟 입자의 에너지가 높아 표면 이동성 높음

 

  - 스퍼터링 수율=스퍼터 된 타겟 원자수/ 충돌 이온수

                       = a * Mm/(M+m)^2 * E(m)/U(M)        (a=입사각 도상수, M=타겟 금속 원자 질량, m=출동 이온 질량                                                                           , E(m)=충돌 이온 에너지, U(M)=타겟 원자 결합 에너지)

출처- https://slideplayer.com/slide/1428786/

      : 충돌 이온의 입사각이 수직에 가까우면 타겟에 전달되는 운동량이 작고,

                                               수평에 가까우면 표면 침투 효과가 감소해 수율 감소

        충돌이온의 이온 에너지가 너무 크면 이온 주입이 발생해 수율 감소

 

 

  - 장비

  진공 챔버: 메인 챔버, 안티 챔버(=Load lock, 메인 챔버의 고진공을 최대한 유지해 웨이퍼 로딩/언로딩 속도를 높임)

 

  진공 펌프: 고진공- Cryo pump(크라이오 펌프), Tuerbomolecular pump(TMP, 터보 펌프) 등

                     저진공- Rotary pump(로터리 펌프), Dry pump(드라이 펌프)

                     과부하 없이 고진공 위해 평균 2개 pump 사용

                      *Gauge: 진공도 측정

 

  플라즈마 형성 시스템: 주로 DC CCP 사용

 

 

 - Step coverage 개선 방법

  : 적절한 타겟- 웨이퍼보다 큰 크기의 타겟

    기판 가열-입자의 표면 이동도 향상

    타겟 원자의 입사각 향상- Collimator: 타겟과 기판 사이 collilmator 설치

                                                                           증착 속도 감소, 파티클 오염 문제

출처-https://www.slideserve.com/micol/chapter-9-thin-film-deposition

 

                                     - Long throw: 타겟과 기판 사이 거리 증가

                                     - I-PVD(이온화 스퍼터링): ICP 이용해 스퍼터 된 타겟 원자를 이온화

 

       기판 bias Sputtering- Faceting으로 재 스퍼터링 된 모서리/바닥 원자가 측벽/ 구석으로 이동해 피복 능력 상승

                                                    Faceting: 모서리의 스퍼터링 수율 높음(이온 입사 각도에 따른 수율) 

     

출처- https://www.researchgate.net/figure/Three-main-sources-of-errors-in-sputter-deposition-and-etching-processes-and-their_fig5_326715033

 

 

       Magnetron Sputtering

         - 타겟&음극 뒤편에 자석을 위치시킴 -> 플라즈마 내 전자의 나선형 원운동 유도

                                                                             -> 전자가 웨이퍼/ 챔버 벽, 전극과 충돌해 소진되지 않게 함

                                                                       -> 고밀도 플라즈마, 웨이퍼 온도 상승 방지

        - 빠른 증착 속도, 양호한 막질, 자석 위치 조절로 균일도 향상 가능

 

출처- www.jbcc.or.kr 

 

      Reactive Sputtering

      - 금속의 산화막, 질화막 증착 시 타겟 원자 간 결합력 강해 스퍼터 수율 낮음

         -> 반응성 가스를 주입해 타겟에서 스퍼터 된 원자가 반응 가스의 라디칼과 결합해 화합물 박막을 형성하게 함

      - 정밀한 반응 가스 양 제어 필요: 박막의 화학 양론 비를 맞춤

                                                               반응 가스가 너무 많을 경우 타겟과 반응해  Poison(타겟 오염)