18. deposition 공정(2) (PVD)

PVD (physical vapor deposition)

<WHAT>
물리적 기상 증착 방법으로 화학적 반응을 동반하지 않는 증착 방법. 

순도가 좋은 금속막질의 증착에 사용.

 

<HOW>

• evaporation
• sputtering
• ion plating

 

	방법	장단점
evaporation	진공 chamber에서 박막 source를 가열하여 기화하는 방식	고진공이 필요
sputtering	진공 chamber에서 박막 source에 Ar plasma를 충돌시켜 원자/분자를 방출하여 증착	증착 능력(uniformity/purity) 우수 저온 공정 고전압 필요
ion plating	진공 chamber에서 박막 source를 가열 증발 시킨 후, Ar plasma에 충돌	치밀하고 물성이 우수한 박막 구현 저온 공정

 

(1) evaporation

<WHAT>

source의 가열에 의한 기화 방식을 이용한 박막 증착 방식.

 

<HOW>

• thermal evaporation
• e-beam evaporation

 

1. 하부의 source를 필라멘트(thermal)나 전자빔(e-beam)을 이용하여 가열
2. 고온에서 source가 기화, 분산.
3. 상부에 위치한 저온의 wafer 표면에 박막으로 증착.

diagram of thermal evaporation process (출처: http://www.semicore.com/news/71-thin-film-deposition-thermal-evaporation)

diagram of E-beam evaporation process (출처: http://www.semicore.com/news/71-thin-film-deposition-thermal-evaporation)

 

<특징>

1) 공통 특징

• 고진공 상태 필요
  - source의 기화가 잘되게 하기 위해
  - 직진성을 높이고 불순물과 충돌하지 않도록 하기 위해.
• 증발온도 ∝ 박막 증착속도.
  ∵ 증발온도 ∝ 박막 증발량 ∝ 박막 증착속도.
• 측벽 step coverage 나쁨 ( ∵ source의 직진성).
• uniformity 나쁨 ( ∵ 증발되는 source 입자의 크기가 균일하지 않음).
  → 증착 완료 후 두께조절을 위해 CMP공정 이용.

 

2) thermal evaporation

• Materials are evaporated from heated crucible (resistance heating).
• Suitable for high vapor pressure metals, e.g. Au, Al,…
• Good for organic materials (organic semiconductors…).
• Major issues
   - High contamination level
      : the crucible is heated as well, so may deposit to the substrate.
       on the contrary, e-beam evaporation heats only the evaporate material from the top.
   - Can’t work on composite films
   - Limited choice of materials

 

3) e-beam evaporation

• Using a focused electron beam to heat and evaporate metals,  electron temperature can be as high as 10,000 K.
• Suitable for high Tmelt metals like W, Ta, …
• Evaporation occurs at a highly localized point on the source surface, so little contamination from the crucible
• Composite films can be deposited using dual e-beams with dual targets
• Thickness uniformity can be improved by substrate rotation.
• Issues
   - radiation damage; not suitable for organic materials.

 

 

<CONSIDERATIONS>

• Deposition rate.
• Temperature: some metals requires excessive high temperature.
• Contamination control.
• Residual stresses: usually of CTE and micro-structures transformation. (CTE: coefficient of thermal expansion)
• Evaporation is the most useful thin film deposit techniques for nanofabrication, because:
   - It is directional (poor step coverage), good for liftoff.
   - It is directional, good for shadow evaporation.
   - The film thickness can be monitored precisely using a quartz balance.
• Best suitable for elemental materials (metals, silicon, Ge…), not so good for composite (SiO2 → SiOx).
  Sputtering is suitable for deposition of composite materials.
• Film quality is generally not as good as sputtered film.
  (that involves energetic bombardment of ions to the as-deposited film, which makes the film denser).

 

 

(2) sputtering

<WHAT>

plasma 상태의 양이온을 source와 충돌시켜 이 때 튕겨져 나온 미세 source 성분을 wafer에 증착하는 방식.

 

<HOW>

1. chamber를 진공 수준으로.
2.  Ar를 chamber로 주입.
3. 외부 바이어스의 전기장 가해줌 → Ar이 plasma 상태로 변화. Ar+이온 발생.
4. 외부 바이어스에 의해 Ar+ 이온이 source에 충돌.
5. 충돌 시 방출되는 원자/분자 상태의 source 물질을 상부에 배치한 wafer에 박막으로 증착.

diagram of sputtering deposition process (출처: https://www.researchgate.net/figure/Scheme-of-the-sputtering-deposition-process-34_fig7_236982342)

 

<특징>

• evaporation 방식보다 박막의 uniformity가 좋음 → Al 등 반도체 금속 물질의 증착에 많이 이용 (ex. 배선공정).
• 가격이 비쌈 ( ∵ plasma 환경)

 

* DC/RF sputtering

① RF sputtering

• chamber내 하부 source와 상부 wafer에 고주파로 switching되는 RF 교류 전원을 인가.
• plasma 양이온을 상하 운동 시키면서 source에 충돌하는 방식.
• source단 전원이 switiching하기 때문에 Ar+이온의 지속적인 상하 운동 가능. 
• 부도체 박막 증착 시 사용.

 

② DC sputtering

• 하부 source에 (-)전압만을 인가하는 방식.
• Ar+양이온을 당기는 힘이 더 강해짐 → source에 더 센 물리적 충돌 가능.
• DC = source에 (-)전압이 지속적으로 걸려있음.
  → Ar+이온이 충돌 후 source 상부에 쌓임.
  → 누적되면 source에 물리적 충돌을 더 이상 구현할 수 없다. 
  → 부도체 박막의 증착에는 사용할 수 없다.
  
   ∵ 금속(도체) source의 경우, Ar+과 물리적 충돌 후 금속으로부터 원자, 이온, 전자가 모두 방출.
      → Ar+ 이온이 금속에서 방출된 전자와 결합하여 중성이 됨.
      → source에 인가된 (-) DC전압에 구속되지 않게 되어 source상부에 쌓이지 않고 다시 돌아감.
  
      but, 부도체 source는 충돌 시 전자를 방출하지 않음.
      → Ar+이온이 충돌 후 source 상부에 쌓임.
      → DC sputtering을 사용할 수 없다.
   ∴ 금속 물질의 증착에 사용

 

* evaporation & sputtering 비교

evaporation	sputtering
low energy atoms	higher energy atoms
high vacuum path  - few collisions               - line of sight deposition  - little gas in film	low vacuum, plasma path  - many collisions                  - less line of sight deposition  - gas in film
larger grain size	smaller grain size
fewer grain orientations	many grain orientations
poorer adhesion	better adhesion

 

 

(3) ion plating

<WHAT>

evaporation + sputtering 방식의 PVD.

 

<HOW>

1. source를 가열하여 원자/분자의 상태로 증발.
2. 증발한 source 입자를 plasma 환경을 통과하며 이온화.
3. Ar+이온과 함께 (-)DC전압을 인가한 상부 wafer로 가속되어 이동.
4. source 이온과 Ar+이온이 wafer 표면과 충돌하면서 박막을 형성.

ion plating 모식도 (출처: https://marriott.tistory.com/75)

<특징>

치밀하고 물성이 우수한 박막 증착 가능.

∵ source 중 이온화가 되하지 않은 원자/분자는 evaporation과 같이 증착됨.
   source이온과 Ar+이온이 여기에 고속으로 충돌하면서 박막을 두들기는 효과 → 박막의 밀착력↑

 

 

 

 

<참고문헌>

이창훈, 반도체 소소제공, 더인 출판사, 2019, pp.211-214.

최리노 교수, '반도체공정' 강의  Deposition ppt, 인하대학교.