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sputter 개요

작성자푸미나안|작성시간03.09.29|조회수2,103 목록 댓글 0
SPUTTER


개요 : 물리 기상증착법은 원하는 박막 물질의 기판이나 덩어리에 에너지를 가하여 운동에
너지를 가지는 해당물징이 물리적으로 분리되어 다른 기판에 쌓이게 함으로 박막층이 만들
어지게 하는 방법을 물리 기상증착법(PVD)이라고 한다.
크게 스퍼터링(sputtering) 과 증발법(evaporation) 으로 나눌수 있다.

*) 스퍼터링(sputtering)
고 에너지의 입자를 원하는 박막과 동질인 물질로 이루어진 기판에 충돌시켜 그곳으로부터
원자와 분자가 떨어져 나와 박막을 만드는 방법을 말한다.
VLSI의 금속 박막 증착에 많이 사용되어지며, 경우에 따라서 Si, SiO2 등의 박막형성에도
이용된다.
스퍼터링 방법은 다음과 같은 장,단점이 있다.

장점: 넓은 면적에서 균일한 박막두께 증착 가능
박막 두께의 조절이 비교적 용이함
진공증착에 비하여 보다 정확한 합금 성분 조절 가능

단점: 고가장비
낮은 증착률(SiO2)
불순물 증착

스퍼터링(SPUTTERING)의 기본지식

*) 진공 및 기압

1기압= 760Torr = 1013mb =101300Pa

진공도의 분류 및 응용분야 : 진공 정도를 표현하는데 있어서는 사용하는 집단에 따라 약간
씩 다르므로 거기에 맞춰 사용하는 것이 편리하다. 단순 분류로는

1. 저진공 (LOW VACUUM): 1기압~10-3 : Rough vacuum 이라고도 하고 기체 상태의 분
자 수량이 진공용기 내부 표면에 부착되어 있는 분자 수량보다 많은 상태이다.
FOOD PROCESS( 음식 건조,freeze drying)
증류(distillation), 박막증착(sputtering, LPCVD), 플라즈마 공정, 네온사인 등이 여기 진공대
에서 사용됨.
저진공의 10-3Torr 영역이면 이미 기체가 99.99%이상 빠져나간 상태이기 때문에
압력=힘/면적 의 견지에서 보면 0 이나 다름없다.
2. 고진공 (HIGH VACUUM, HV): 10-3~10-7 Torr : 기체의 평균 자유 행로가 진공용기의
크기보다 긴 상태이기 때문에 분자간의 충돌보다는 진공 용기 내벽과의 충돌이 많다.
진공관, CRT, 이온주입(ion implanting), 증착(evaporation), 전자현미경 등이 이 영역 진공
대에서 운용되고 있다.

3. 초고진공 (UHV): 10-8Torr 이하 : 분자밀도가 상당히 떨어진 상태로 분자가 진공용기
내부 표면에 단일층(mono-layer)을 형성하는데 시간이 충분히 오래걸려 여러 가지 표면에
관한 실험을 하수 있는 상황이 된다.

-용어 및 설명-
최저 도달압력(ultimate pressure/base pressure):배기시간(pumping time)이 경과함에 따라
진공 용기내의 기압강하는 한계에 도달하게 된다.
이때의 기압을 ultimate pressure 라고 부르는데, 그 크기와 도달하는 시간은 펌프의 종류,
용량, 진공 용기의 크기, 그조 등에 따라 다르다.
이 기압에 도달하면 펌프는 자신이 제거하는 만큼의 분자를 진공 용기로 되돌려 평형상태가
이루어지게 된다.
진공작업의 경우 base pressure 라고도 한다.
일반적인 저진공 작업에 있어서도 우선적으로 base pressure까지 내려 진공 용기내의 오염
을 제거하는 경우가 많다.
이 경우는 진공용기의 깨긋함을 확인하는 동시에 시스템 누출 등의 문제를 확인하는데 사용
하면 매우 유익하다. 즉, 평소에 base pressure 의 값과 이에 도달하는데 걸리는 시간을 숙
지해 두었다가 조금이라도 이상이 생기면 그 원인을 조사헤 볼 필요가 있다.

작업압력(operating pressure) : 기체를 주입하여 압력을 필요한 작업환경으로 높이게 된다.
이 때의 기압을 operating pressure 또는 working pressure 라고 부른다.
기압의 크기는 작업의 종류에 따라서 다르다.

역류(backflow, backstream) : 펌프 쪽으로부터의 펌프오일의 분자가 역류되어 오는 경우
주로 분자운동에 의해 기체 상태로 역류되는 경우에 사용하는 용어이다.
밸브 작동 오류로 기름 그 자체가 밀려 올때는 dumping 했다고 표현한다.

평균 자유 행로:(mean free path) : 입자가 충돌하기 전까지 가는 평균적인 거리.

electro bonbardment : 이온 gun이나 전자 gun으로 가속된 입자 발생 -> 부착된 분자 제거
flushing with Ar : 아르곤을 진공용기에 채워서 배기과정 반복->아르곤 입자로 부착된 분자제거
vent: 시편을 넣고 빼거나 부품을 설치 교환하기 위해서 진공용기를 대기중에 노출시켜야
할 경우 우선기체를 채워 대기압까지 올려야 하는데 이 과정을 vent(진공해제) 라고 한다.
이때는 질소가스를 사용하여 배기시킨다.

*) 진공펌프에 대한 자료

1)저진공 펌프: 주로 10-2에서 10-3torr정도까지 내리는 초기진공에 사용되는데 작동원리에 따른 명칭이 있고 진공 시스템에서의 사용역할에 따른 명칭이 있는데 상당수 혼용하여 사용한다.
우선사용시 역할에 따른 명칭을 설명하자면, 저진공 펌프가 그 종류에 관계없이 초기 진공제작에 사용될 경우 roughing 펌프(초기 배기펌프)라고 부른다. 이는 영어 단어 해석 그대로 대충 빼낸다는 뜻이다.
하지만 대기압 상태의 진공용기를 배기할때에는 이 단계에서 진공용기 속의 기체가 99.9% 이상이 빠져나온다.
저진공 펌프는 초기배기로서의 역할을 끝내고 그 역할을 고진공 펌프에게 넘긴 뒤 고진공펌프의 배출구 쪽에 연결되어 보조하게 된다.
이때 명칭은 backing pump 또는 foreline 펌프(배위 보조 펌프)가 된다.

backing pump = foreline pump
backing pump는 고진공의 입장에서 본 뒤를 받쳐주는 보조펌프이고,
foreline pump는 진공용기 입장에서 보았을 때 가장 앞쪽(대기)쪽에 놓은 펌프이다.
주로 많이 사용되는 저진공 펌프로는 ROTARY VANE PUMP가 있다.
이 펌프는 오일을 많이 사용하는데, 그 기능은 윤활제로서의 역할뿐만이 아니라 펌프의 열을 밖으로 전달하여 식혀주고 또한 VANE과 정지자 사이의 공간을 막아 기체가 새는 것을 방지해준다.
따라서 사용하는 오일으 증기압이 낮아야 좀더 낮은 압력까지 내릴수 있고 또한 역류
(BACKSTREAM)로 인한 진공용기나 진공과정의 오염도 줄일수 있다. 그리고 펌프를 장시
간 멈출때에는 반드시 펌프를 진공해제(VENT)시키는게 좋다.
※) 역류-BACKSTREAM : 펌프오일이 주로 증기의 상태로 진공 용기쪽으 로 이동하는 현상.
저진공 펌프의 경우 진공용기의 압력이 사용하는 펌프의 최저 도달압력 근처이거나 고진공 펌프의 경우 진공용기와 펌프사이의 전도가 낮을 때 주로 일어난다. 심한경우는 나중에 진공용기를 열면 기름냄새가난다.
이에 대비해 사용되는 트랩(TRAP)은 역류를 방지하거나 펌프의 효율을 높이기 위해 펌프와 진공용기 또는 고진공 펌프와 저진공 펌프 사이에 부착하는 장치이다.

2) 고진공 펌프
가장 많이 사용되는 것으로 오일 확산 펌프(OIL DIFFUSION PUMP)가 있다.
이들 펌프의 구조적 특성은 앞의 저진공 펌프에 비해 흡입구의 크기가 상당히 크다는 것이다. 배기를 하기 위해서는 기체분자들이 분자운동에 의해 펌프속으로 일단 들어와야 한다.
따라서 자연히 펌프의 흡입구가 커애 효율이 증가한다.
-OIL DIFFUSION PUMP-
오일증기 제트속으로 배기하고자 하는 기체가 열운동에 의해 확산되어 들어와서 운동량을 받아 제거되는 것이다.
원리로는 보일러에서 끓어 형성된 오일 증기가 증기탑을 따라 상승하다가 아래쪽을 향한 노즐에서 초음속(약 300M초 )으로 분출되는 것이다.
이렇게 아래쪽을 향해 분사되면서 주변에 들어온 기체 분자들을 함께 같은 방향으로 이동시켜 배기가 이루어진다.

확산 펌프의 특징으로는 가격이 저렴하고 배출양이 큰점이다.
작동 조건에 따라 10-3에서 10-9TORR 까지 광범위하게 사용할수 있고 또한 다른 기계식 펌프에 비해 움직이는 부분이 없어 작동환경이 조용하다.
하지만 오일을 사용하기 때문에 구조상 수직방향으로만 설치해야 하며 밸브의 오작동으로 오일을 진공용기 쪽으로 덤핑 할 우려가 있다.

진공의 측정: 진공 압력계
(진공게이지, VACUUM GAUGE)
진공의 정도는 일반적으로 진공용기속에 남아 있는 기체압력으로 표현을 하는데 크게 2가지 방법이 있다.
-직접적인 압력의 측정
-간접적인 측정 방법 ( 민감도가 더 우수하다.)
기체가 가진 열 또는 전기적인 특성을 이용하고 있다.
이들의 물리량은 나중에 CALIBRATION 과정을 통해 압력으로 변환된다.

몇몇가지 게이지
-열전쌍 게이지 : 다른 두 금속선을 접합시켜 온도에 따른 전압의 차이를 이용해 온도를 측정하는 일종의 온도계이다.
-피라니 게이지 : 원리는 WHEATSTONE BRIDGE를 이용한 것이며, 반응속도가 아주 빠르다.
-PENNING 게이지 : PENNING IONIZATION GAUGE로 구조는
RING 형태의 ANODE에 CATHODE가 아래 위에 하나씩 있다.
그리고 자기장과 전기장이 평행인 특징이 있다.
방전으로 인한 이온화가 일어나고 이때생긴 전자들은
보통 수천 가우스 자기장의 영향으로 ANODE에 다다를 때까지 회전운동을 하므로 더 많은 기체 분자들과 충돌을 하게 되므로 낮은 기압에서도 방전을 지속할수 있다.

*) DC MAGNETRON SPUTTER 작동법
1)맨아래 전원을 켠다.
2)냉각수 밸브가 열려 있는지 확인
냉각수밸브가 열려 있지 않으면 알람이 작동
3)로타리 펌프와 디퓨전펌프의 전원을 넣는다.
디퓨전 펌프의 경우 준비시간을 20분 정도 가진다.
4)챔버내의 저진공을 잡기 위해 러핑밸브(R/V) 를 연다.
5)러핑밸브의 게이지를 보고 mTorr영역으로 떨어지면 고진공으로 갈준비를 한다.
6)챔버내의 고진공을 잡기위해 러핑밸브를 잠그고,foreline valve를 연다.
(R/V) (F/V)
7)메인밸브를 열면 고진공이 잡히기 시작
이때 PENNING 게이지를 켜고 눈금이 -6승대역으로 떨어지는 것을 확인 한다.
8)플라즈마를 사용하기위해 MFC의 유량 조절 페닝 게이지는 이때 끈다.
9)메인밸브를 적당히 줄여 최적화된 진공을 유지(mTorr)
10)플라즈마를 아용한 스퍼터를 준비하기 위해 DC 파워를 넣는다.
11)암페어 미터와 볼트미터를 적당히 조절하여 원하는 파워에 위치시킨다.
12)셔터를 열고 스퍼터링 되는 것을 확인한다.
13)시편의 온도를 조절할 경우 온도를 셋팅하고 올린다.

증착후 시편을 꺼낼경우

1)냉각수가 이상없이 흐르는지 확인. 시편의 온도가 높아져 있으면 온도를 낮춘다
2)DC파워를 빼고 노브를 0에 맞춘다. 페닝게이지를 끈다.
3)디퓨전 펌프의 메인벨브를 닫는다. 디퓨전 펌프의 전원을 뺀다.퍼라인 밸브 를 닫고 러
핑밸브를 연다.
4)시스템이 아무런 이상이 없으면 러핑밸브를 잠그고 질소를 주입-퍼징시킨다.
5)디퓨전 펌프는 전원을 빼도 잔류열은 20분이상 보유하고 있으므로 그때까 지 냉각수는
동작해야한다.
잔류 진공이 잡혀있으므로 러핑밸브가 잡혀있는 상태에서 디퓨전펌프가 꺼내진 것을
확인하고 퍼라인밸브를 연다.
6)퍼라인밸브와 러핑밸브가 잠겨있으면 중간에 놓여있는 VENTING VALVE 를 열어 로
타리 펌프의 진공을 풀어준다.
7)CHAMBER 내의 저진공 게이지가 760Torr 이상이면 챔버를 열수 있다.
8) 다시 실험을 할 경우엔 충분히 시스템이 안정화된후 스퍼터를 다시 동작 시킨다.


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