반도체 증착 공정(Deposition) - RF Sputtering(RF 스퍼터링)에 대해서 공부해 봐요

 *목차

1. RF Plasma 란?

2. 반도체 증착 공정(Deposition) RF Sputtering 이란?

3. RF Sputtering의 장단점

1. RF Plasma CCP type 이란?

-. 이전 포스팅에서 DC Plasma를 이용한 DC Sputtering(DC 스퍼터링) 증착 공정(Deposition)에 대해서 알아 봤는데요.

이번에는 RF Plasma를 이용한 RF Sputtering(RF 스퍼터링)에 대해서 공부하고 정리해봤어요.

RF Sputtering에 대해 알기 전에 먼저 RF Plasma를 어떻게 만드는지 알아볼 필요가 있을 것 같아요.

(** 이전 글에 RF Plasma, DC Plasma, Sputtering에 대해서 각각 자세히 정리해봤으니 참고하세요~)

우선 Plasma를 생성하기 위해서는 고전력이 Power를 전극에 연결해서

전기장(E-Field)을 생성하면 전기장을 따라 공기 중에 전자(Electron)을 가속이 돼요.

가속된 전자는 많은 운동에너지를 갖게 되고 이때 전자가 반응 Gas와 충돌을 하면

Plasma 상태가 생성이 돼요.

DC Plasma는 평행하게 놓인 2개 전극에 직류 전원(DC Power)를 연결해서 방전을 시켜요.

DC Power는 전극의 전위가 고정되어 있기 때문에

2개 전극 사이에서 전기장은 한 방향으로만 흐르고

Chamber 내 2개 전극 사이의 Electron 입자 또한 (+)전극 방향으로만 가속으로 해요.

그런데 RF(Radio Frequency) Power는 교류 전원(AC Power)로 일정한 주기로 전극이 바뀌는데요. 2개 전극 사이에서 전기장 또한 일정한 주기로 방향이 바뀌게 돼요.

이때 Electron 또한 (+), (-) 전위 변화에 맞춰서 가속하는 방향이 계속 바뀌면서 진동을 하게 돼요.

Electron이 2개 전극 사이를 왔다갔다 가속을 하는 중에 반응 Gas와 충돌을 하면 Plasma가 생성이 돼요.

RF Plasma의 장점은 Electron의 효율이 좋고 전극 표면을 부도체로 할 수 있어요.

DC Plasma에서는 Electron이 같은 방향으로만 가속하기 때문에 전극에 부딪혀서 계속 손실이 돼요. Plasma 상태를 유지하기 위해서는 양이온 입자가 (-) 전극 표면에 계속 충돌을 해서 2차 전자를 생성해줘야 돼요. 그러다 보니 DC Plasma에서는 전극 물질이 금속으로 제한이 돼요.

그런데 RF Plasma에서는 Electron가 전극 사이를 왔다갔다 진동을 하기 때문에 충돌로 인한 손실이 적어요. 그렇기 때문에 2차 전자를 생성할 필요가 없어서 전극 표면을 부도체로 사용할 수 있어요. 

2. 반도체 증착 공정(Deposition) RF Sputtering 이란?

-. RF Plasma를 이용해서 Sputtering 증착 공정을 어떻게 활용하는 걸까요?

Plasma와 전극 또는 벽면 사이에는 어두운 영역의 '쉬스(Sheath)'라는 영역이 있어요.

'Sheath'란 급격한 전위차(음극 전압 강하)가 발생하는 영역으로

양이온을 가속시키고 벽면 또는 전극에 충격을 일으키는 영역이에요.

(** 예전에 포스팅한 글에서 RF Plasma. Sheath에 대해서 자세히 정리하였으니 참고하세요.)

RF Plasma는 Power 주파수에 맞춰서 2개 전극의 전위가 (+), (-)가 계속 바뀌는데요.

 '음극 전압 강하'가 2개 전극을 번갈아 가면서 생기고 양이온도 2개 전극을 번갈아가면서 충돌을 하겠죠? 그러면 양이온이 2개의 전극을 번갈아가면서 충돌하면 Target에 Sputtering이 되고 Wafer 표면에서도 Sputtering이 되어서 결국 증착이 제대로 안되겠죠......

 

그런데 실제로는 그러지 않아요!

RF Power가 걸리는(Sputtering이 되는) 전극을 'Powered Electrode'라고 하고

반대쪽을 'Grounded Electrode'라고 하는데요.

 'Powered Electrode'에 연결되어 있는 'RF Power Supply'에는 안전장치에 일종인 'Blocking Capacitor'가 있어요. 

 'Powered Electrode'가 (+) 전위일 때 '전자(Electron)'가 'Blocking Capacitor'에 축적이 되면서 (-) 음의 전위를 만들어요. 

또 'Powered Electrode'와 'RF Power Supply' 사이에는 '임피던스'를 맞춰주는 'RF Matcher'가 있는데, 이 Matcher에도 Capacitor가 있어서 (-) 전위로 축적이 돼요.

이 외에도 전극에 '유전체(Dielectric Material)' 층이 있을 경우 Capacitor 역할을 해서 (-)로 축적이 될 수 있어요.

위와 같은 이유로 RF Power는 (+), (-)로 일정하게 바뀌지만

'Powered Electrode'는 (-)음의 전위로 더 낮아지고, (-) 전위를 더 오래 유지해요.

양이온은 'Powered Electrode' 위주로 충돌이 일어나기 때문에 증착을 할 수 있어요.

(양이온이 증착 물질 Target 위주로 충돌을 함)

그리고 양이온의 충돌 효과를 더욱 높이기 위해서 전극을 '비대칭(Asymmetric)'으로 만들어요.

Electrode 면적이 넓으면 '전자'가 전극 표면에 골고루 충돌하면서 손실이 되지만

Electrode 면적이 좁으면 '전자'가 전극 표면에 미처 충돌하지 못하고 축적이 되는 '전자'가 많아져요. 그러면 좁은 전극은 (-)음의 전위로 더욱 낮아져요.

양이온 충돌이 일어나야 되는 Electrode를 (Sputtering이 일어나야 하는 Target 쪽 전극)

작게 만들어서 충돌 효과를 높여요.

3. RF Sputtering의 장단점

3-1) 장점

-. 부도체도 Sputtering이 가능함.

-. Plasma 효율이 좋음.

-. 보다 균일하게 증착이 가능함.

3-2) 단점

-. DC Plasma 대비 증착 속도가 느림. (Sheath가 작음)