증착공정(Deposition)에 대하여 (2) PVD

- PVD, Phisical Vapor Deposition

PVD에는 다음과 같은 장점이 있습니다.

1. 고진공 상태에서 화학반응 없이 증착하기 때문에 다양한 물질을 소스로 사용할 수 있음
2. 기판 온도를 자유롭게 조절할 수 있음. 이외에도 진공도나 전압등의 조절 가능한 변수가 많음
3. 고진공 환경에서 증착하기 때문에 particle 같은 오염이 적음

다만 CVD 대비 step coverage나 박막 균일도가 좋지 못하다는 단점이 있습니다.

 

Evaporation

Evaporation에는 크게 열을 이용하는 Thermal evapoator와 전자빔을 사용하는 e-beam evaporator가 있습니다.

 

Evaporator 종류 < 출처 : 렛유인 >

 

고진공(~10^-6 torr)분위기에서 진행되는 thermal evaporation 증착은 소스 물질이 열에 의해 기화되고 확산되어 기판에 흡착되면 응축되는 간단한 절차로 진행되기 때문에 장비가 단순하다는 장점이 있습니다. 다만 두꺼운 막을 증착하기 어렵고 녹는점이 높은 물질은 증착하기 어려우며, 기판과 접착력이 낮다는 단점이 있습니다.

 

이와 같은 문제를 해결하기 위해 소스에 전자빔을 가해 증발시키는 E-beam evaporator를 사용하기도 합니다. Thermal evaporator 대비 증착속도도 빠르고, 녹는점이 높은 물질도 증착이 가능하며, 접착문제도 개선할 수 있습니다. 다만, 접착문제는 완전히 해결하기 힘든데요, 저는 E-beam evaporator로 Pt를 증착했는데 bare wafer 위에 Pt를 증착하면 adhesion issue가 있어서 Ti를 adhesion layer로 5nm 정도 증착하고 Pt를 증착했습니다.

그리고 E-beam evaporator의 경우 X-ray가 발생할 수 있다는 문제가 있습니다.  SiO₂도 E-beam evaporator로 증착이 가능해서 연구에 활용했는데, 태양전지 연구팀은 X-ray가 소자에 영향을 줘서 E-beam evaporator가 아니라 PECVD로 SiO₂를 증착했습니다.

 

Evaporation은 어떤 소스를 증착하느냐에 따라 어떤 boat(소스를 담는 용기)를 사용하는지 정해야 하는데, 주로 W(텅스텐)이나 Mo(몰리브덴)을 사용합니다.

 

Sputter

Sputter는 타겟에 고에너지 입자(플라즈마)를 충돌시켜 나온 소스 물질들이 기판 표면에 흡착되어 증착되는 방식입니다.

 

Sputter 이해 < 출처 : 렛유인 >

 

플라즈마는 안정한 불활성 원소인 Ar을 주로 사용하는데 플라즈마로 만들고 가속시켜 10eV 이상의 에너지를 가지고 타겟에 충돌하면 타겟 원자가 튀어나오게 됩니다.

증착이 진행되는 챔버(Chamber)는 기본적으로 고지공상태이지만 플라즈마를 생성시키기 위해 Ar 가스를 주입하고 실제 증착이 진행될 때는 1~100mtorr의 압력을 유지하게 됩니다. Evaporator 대비 만 배정도 압력이 높기 때문에 step coverage를 개선할 수 있습니다.